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刊名: 教学与研究
        Teaching and Research
主办:  中国人民大学
周期:  月刊
出版地:北京市
语种:  中文;
开本:  大16开
ISSN: 0257-2826
CN:   11-1454/G4
邮发代号: 2-256

历史沿革:
现用刊名:教学与研究
创刊时间:1953

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巧用直线参数方程解圆锥曲线弦长问题

【作者】 陈艳文

【机构】 广西恭城中学

【摘要】参数方程是以参变量为中介来表示曲线上点的坐标的方程,相对于普通方程而言,是曲线在同一坐标系下的又一种表示形式,其中的参数往往有很重要的几何或物理意义。本文将通过近年来的高考试题,探究直线的参数方程在圆锥曲线弦长问题中的运用。
【关键词】参数方程;圆锥曲线;弦长
【正文】
  参数方程是以参变量为中介来表示曲线上点的坐标的方程,相对于普通方程而言,是曲线在同一坐标系下的又一种表示形式,其中的参数往往有很重要的几何或物理意义。本文将通过近年来的高考试题,探究直线的参数方程在圆锥曲线弦长问题中的运用。
  如图1:直线l经过点P(x0,y0),其倾斜角为α,点M(x,y)是直线上任意一点,则直线的参数方程为x=x0+tcosαy=y0+tsinα(为参数)






  其中,点M到点P的距离为|MP|=|t|,这就是参数t的几何意义。利用参数的几何意义,可解决直线与圆锥曲线相交所得弦长问题。
  例1.(2014年高考大纲卷第21题)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,直线与轴的交点为P,与C的交点为Q,且|QF|=■|PQ|.
  (Ⅰ)求C的方程;
  (Ⅱ)过F的直线l与C相交于A、B两点,若AB的垂直平分线l'与C相交于M、N两点,且A、M、B、N四点在同一圆上,求的方程。 
  分析:由已知,易知抛物线C的方程为y2=4x,第Ⅱ问的难点在于“四点共圆”这一条件。可考虑用参数方程,联系平面几何中的相交弦定理解决。
  解:(Ⅱ)如图2:设直线AB与MN相交于点P(x0,y0),直线AB的倾斜角为α(α∈[0,π)),则直线AB的参数方程为x=x0+tcosαy=y0+tsinα(t为参数)
  代入抛物线方程y2=4x,得:
  (y0+tsinα)2=4(x0+tcosα),
  即:t2sin2α+(2y0sinα-4cosα)t+y02-4x0=0
  所以:|PA|·|PB|=|t1t2|=■
  又设直线MN的倾斜角为β(β∈[0,π)),则直线MN的参数方程为x=x0+scosβy=y0+ssinβ  (s为参数)
  同理:|PM|·|PN|=|s1s2|=■
  注意到AB与MN互相垂直,所以β=■+α或α=α-■,故sin2β=cos2α
  从而|PM|·|PN|=|s1s2|=■








  而A、M、B、N四点在同一圆上,且点P在抛物线外,y02-4x0≠0,由相交弦定理,得:
  |PA|·|PB|=|PM|·|PN|→sin2α=cos2α
  又因为α∈[0,π),所以α=■或α=■
  则所求直线方程为y=x-1或y=-x+1
  评析:本例中,巧妙地将直线方程中参数的几何意义及相交弦定理融为一体,解法简洁、清晰,揭示了这道题的本源:事实上,如果A、M、B、N四点共圆的话,无论AB与MN是否垂直,必有sin2α=sin2β→α+β=π,即AB与MN的倾斜角互补!其中,以两直线AB、MN的交点P为基点设直线的参数方程是一个关键。
  例2.(2013年高考大纲卷第21题)已知双曲线C:■-■=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1、F2,离心率为3,直线y=2与C的两个交点间的距离为■。
  (I)求a,b;
  (II)设过点F2的直线l与C的左、右两支分别交于A、B两点,且|AF1|=|FB1|,证明:|AF2|、|AB|、|BF2|成等比数列
  分析:第(II)问中三条线段的长恰好可用直线参数方程中的参数表示出来,因此,可用直线参数方程求解。
  解:(I)易知a=1,b=2■,双曲线方程为x2-■=1
  (II)如图:由双曲线定义,知
  |AF2|-|AF1|=2a
  |BF2|-|BF2|=2a
  上面两式相加,注意到|AF1|=|BF1|,得:
  |AF2|-|BF2|=4a→|AB|=4












  如图3:设直线l的倾斜角为α,则直线l的参数方程为 x=3+tcosαy=tsinα(为参数)
  代入双曲线方程,得:8(3+tcosα)2-(tsinα)2=8
  整理,得:(9cos2α-1)t2+48tcosα+64=0
  其中,t1+t2=-■,t1t2=■
  因为|AB|=|t1-t2|=4,即(t1+t2)2-4t1t2=16
  所以:(-■)2-4×■=16→cos2α=■
  则|AF2|·|BF2|=t1t2|=■=16=|AB|2
  故:|AF2|、|AB|、|BF2|成等比数列
  解析几何是用代数方法来研究几何问题的一门学科,是高考的重点、难点和热点,尤其是解析几何试题中的计算量往往很大很困难。因此,简化运算是解题成功的关键。文中例1的解法,正是巧妙地运用了直线的参数方程及平面几何的相关结论,才使得问题迅速获解。在高中数学新教材的选修内容中,增加了《坐标系与参数方程》、《几何证明选讲》等内容,这极大地丰富了学生解决解析几何问题的手段和方法。如何处理好这一选学内容,并借此提高学生的能力,是值得我们每个高中数学老师思考的问题。