高中数学解析几何绝活一:极点极线的推导和应用

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高中数学解析几何绝活一:极点极线的推导和应用

2024-07-01 00:58| 来源: 网络整理| 查看: 265

预备知识:

一:调和分割

如图:eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20PA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20PB%20%5Cright%20%7C%7D%3D%20%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20QA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20QB%20%5Cright%20%7C%7D%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D,即称PQ调和分割PB,PAQB称为一个调和点列。

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二:定比点差法

如图,直线l交椭圆于AB两点,P为直线上椭圆外一点,若eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20PA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20PB%20%5Cright%20%7C%7D%3D%20%5Clambda

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则有:eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20y_%7BA%7D-y_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28y_%7BB%7D-y_%7BP%7D%29%5C%5C%20x_%7BA%7D-x_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28x_%7BB%7D-x_%7BP%7D%29%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5CRightarrow%20%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Clambda%20y_%7BB%7D-y_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29y_%7BP%7D%5C%5C%20%5Clambda%20x_%7BB%7D-x_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29x_%7BP%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5Cbigstar 

由A、B在椭圆上,有:eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Cfrac%7Bx_%7BA%7D%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7By_%7BA%7D%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%20%5Cfrac%7B%5Clambda%20%5E%7B2%7Dx_%7BB%7D%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7B%5Clambda%20%5E%7B2%7Dy_%7BB%7D%5E%7B2%7D%7D%20%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Clambda%20%5E%7B2%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.

 二式相减并带入eq?%5Cbigstar式,得到:eq?%5Cfrac%7Bx_%7BP%7D%28%5Clambda%20x_%7BB%7D+x_%7BA%7D%29%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7By_%7BP%7D%28%5Clambda%20y_%7BB%7D+y_%7BA%7D%29%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Clambda%20+1

极点极线: 1.极点极线的几何定义:

    过点P的直线eq?l交二次曲线Ω(圆、椭圆、双曲线、抛物线)于A、B两点,若eq?l上存在一点Q,使得eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20PA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20PB%20%5Cright%20%7C%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7CQA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20QB%20%5Cright%20%7C%7D,则称点Q为P关于Ω的调和共轭点。当eq?l开始旋转,Q的轨迹将形成一条直线eq?l_%7B0%7D,则称eq?l_%7B0%7D为P关于Ω的极线,相应地,称P为eq?l_%7B0%7D关于Ω的极点。

    e21ba92c717c4bd39a3315120df027d6.png

 

注1:

    极点极线一一对应地成对存在。确定的点P必然对应唯一的极线L,确定的极线L必然对应唯一的极点P。

    极点是平面内的任意一点,可在二次曲线外,也可在二次曲线上。

2.极点极线的代数推导:

    极点极线的一一对应性质,告诉我们知道了平面内一点的坐标,必然可以求出此点关于二次曲线的极线方程,反之亦然。那么,这一一对应的性质是怎么来的?具体该怎么求极点极线?带着这两个问题,我们来研究极点极线的数学推导。

    由预备知识,我们只需对eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20PA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20PB%20%5Cright%20%7C%7D%3D%5Clambdaeq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20QA%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20QB%20%5Cright%20%7C%7D%20%3D%20%5Clambda用两次定比点差方法即可。

    过程中注意负号,具体过程如下:

    eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20y_%7BA%7D-y_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28y_%7BB%7D-y_%7BP%7D%29%5C%5C%20x_%7BA%7D-x_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28x_%7BB%7D-x_%7BP%7D%29%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5CRightarrow%20%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Clambda%20y_%7BB%7D-y_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29y_%7BP%7D%5C%5C%20%5Clambda%20x_%7BB%7D-x_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29x_%7BP%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.  ①

    eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20y_%7BA%7D-y_%7BQ%7D%3D-%5Clambda%20%28y_%7BB%7D-y_%7BQ%7D%29%5C%5C%20x_%7BA%7D-x_%7BQ%7D%3D-%5Clambda%20%28x_%7BB%7D-x_%7BQ%7D%29%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5CRightarrow%20%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Clambda%20y_%7BB%7D+y_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20+1%29y_%7BQ%7D%5C%5C%20%5Clambda%20x_%7BB%7D+x_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20+1%29x_%7BQ%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.  ②

    

由A、B在椭圆上,有:eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Cfrac%7Bx_%7BA%7D%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7By_%7BA%7D%5E%7B2%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%5C%5C%20%5Cfrac%7B%5Clambda%20%5E%7B2%7Dx_%7BB%7D%5E%7B2%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7B%5Clambda%20%5E%7B2%7Dy_%7BB%7D%5E%7B2%7D%7D%20%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Clambda%20%5E%7B2%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.

 二式相减并带入eq?%5Cbigstar式,得到:eq?%5Cfrac%7Bx_%7BP%7D%28%5Clambda%20x_%7BB%7D+x_%7BA%7D%29%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7By_%7BP%7D%28%5Clambda%20y_%7BB%7D+y_%7BA%7D%29%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D%5Clambda%20+1  ③

 

 联立②③得eq?%5Cfrac%7Bx_%7BQ%7Dx_%7BP%7D%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7By_%7BQ%7Dy_%7BP%7D%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1%20%28%5Cast%29

    由此我们得到:如果我们已知P坐标eq?%5Cleft%20%28%20p%2Cq%20%5Cright%20%29,则Q点的轨迹是一条方程为eq?%5Cfrac%7Bpx%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D+%5Cfrac%7Bqy%7D%7Bb%5E%7B2%7D%7D%3D1的直线eq?l_%7B0%7D,由极点极线的几何定义,易知eq?l_%7B0%7D即为所求的P关于Ω的极线。 

    以上是以椭圆为例的推导,接下来给出一般二次曲线的极点极线公式推导:

    已知二次曲线Ω:eq?Ax%5E%7B2%7D+Bxy+Cy%5E%7B2%7D+Dx+Ey%3D1 

 

    eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20y_%7BA%7D-y_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28y_%7BB%7D-y_%7BP%7D%29%5C%5C%20x_%7BA%7D-x_%7BP%7D%3D%5Clambda%20%28x_%7BB%7D-x_%7BP%7D%29%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5CRightarrow%20%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Clambda%20y_%7BB%7D-y_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29y_%7BP%7D%5C%5C%20%5Clambda%20x_%7BB%7D-x_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20-1%29x_%7BP%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.  ①

    eq?%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20y_%7BA%7D-y_%7BQ%7D%3D-%5Clambda%20%28y_%7BB%7D-y_%7BQ%7D%29%5C%5C%20x_%7BA%7D-x_%7BQ%7D%3D-%5Clambda%20%28x_%7BB%7D-x_%7BQ%7D%29%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5CRightarrow%20%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%20%5Clambda%20y_%7BB%7D+y_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20+1%29y_%7BQ%7D%5C%5C%20%5Clambda%20x_%7BB%7D+x_%7BA%7D%3D%28%5Clambda%20+1%29x_%7BQ%7D%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.  ②

    eq?Ax_%7BA%7D%5E%7B2%7D+Bx_%7BA%7Dy_%7BA%7D+Cy_%7BA%7D%5E%7B2%7D+Dx_%7BA%7D+Ey_%7BA%7D%3D1

    eq?%5Clambda%5E%7B2%7D%20%28Ax_%7BB%7D%5E%7B2%7D+Bx_%7BB%7Dy_%7BB%7D+Cy_%7BB%7D%5E%7B2%7D+Dx_%7BB%7D+Ey_%7BB%7D%29%3D%5Clambda%20%5E%7B2%7D

    联立①②③④得式       eq?Ax_%7BP%7Dx_%7BQ%7D+%5Cfrac%7BB%7D%7B2%7D%28x_%7BQ%7Dy_%7BP%7D+x_%7BP%7Dy_%7BQ%7D%29+Cy_%7BP%7Dy_%7BQ%7D+%5Cfrac%7BD%7D%7B2%7D%28x_%7BP%7D+x_%7BQ%7D%29+%5Cfrac%7BE%7D%7B2%7D%28y_%7BP%7D+y_%7BQ%7D%29%3D1eq?%28%5Cast%20%7B%7D%27%29

综上所述,对于已知点Peq?%28p%2Cq%29,已知二次曲线Ωeq?Ax%5E%7B2%7D+Bxy+Cy%5E%7B2%7D+Dx+Ey%3D1,点P关于Ω所对的极线eq?l_%7B0%7D方程为eq?Apx+%5Cfrac%7BB%7D%7B2%7D%28qx+py%29+Cqy+%5Cfrac%7BD%7D%7B2%7D%28p+x%29+%5Cfrac%7BE%7D%7B2%7D%28q+y%29%3D1

注2:

    若极点在二次曲线上,则其对应极线为过该极点的二次曲线的切线。

3.极点极线的性质:  

    极点极线具有很多良好的性质,事实上很多看起来“巧合”的定点定直线题目,背后都蕴含着极点极线的规律。 

    需要注意的是,由于极点极线规律往往不能直接使用,极点极线的思想对于高考生来说其实是“蒙”答案、开辟思路的方法,而非生搬硬套的“公式”。也正因此,关于极点极线的性质,高考生实则无须学会它们的推导和记忆,有个大概印象,在见到看似是极点极线思想的题目的时候能“蒙”出思路或是答案即可。

    极点极线的性质1:

    有二次曲线Ω,任意一点P,在点P关于Ω所对应的极线eq?l_%7B0%7D上任取一点Q,则Q关于Ω所对应的极线eq?l_%7B0%7D%5E%7B%27%7D必经过P。

    该性质可由极点极线的代数推导轻易导出。

    极点极线的性质2:

    有二次曲线Ω,任意直线eq?l_%7B0%7D,在eq?l_%7B0%7D上任取一点P,过P作Ω两条切线交Ω于A、B,则A、B恒过eq?l_%7B0%7D所对的极点Q。

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    简单推导如下:

     由注2和性质1,在A所对应的极线PA上取一点P,则P所对应的极线必过A,同理P所对应的极线必过B,故AB即为P所对应的极线,在P所对应的极线上任取一点Q,则Q所对应极线必经过P。

    如上,由于笔者不打算引入调和点束等知识,且极点极线其它的性质解释过于复杂,故仅抛出两例。

 

 

4.极点极线思想的几道例题:

 

    例①:

    已知椭圆eq?%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7B8%7D+%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7B2%7D%3D1  ,过M(0,2)的直线L与椭圆交于P、Q两点,N在线段PQ上,若有eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20PM%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20PN%20%5Cright%20%7C%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20QM%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20QN%20%5Cright%20%7C%7D%3D%5Clambda,求eq?%5Clambda的取值范围。 

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分析:

    将题干原式变化得eq?%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20MP%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20MQ%20%5Cright%20%7C%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cleft%20%7C%20NP%20%5Cright%20%7C%7D%7B%5Cleft%20%7C%20NQ%20%5Cright%20%7C%7D,可知N为M的调和共轭点,故N的轨迹为M的极线eq?%5Cfrac%7B0%5Ccdot%20x%7D%7B8%7D+%5Cfrac%7B2y%7D%7B2%7D%3D1即为y=1,如图当L自与y轴重合旋转至与椭圆相切的过程中,PM增大,PN减小且趋于0,则eq?%5Clambda在L与y轴重合时取到最小值,趋于无穷大,经计算eq?%5Clambda%20%5Cin%20%5B%5Csqrt%7B2%7D%2C+%5Cinf%29。尽管不可直接使用结论,极点极线的思想也帮助你完成了思路的打开和答案的计算。

 

例②

 

    已知椭圆:eq?%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7B6%7D+%5Cfrac%7By%5E%7B2%7D%7D%7B3%7D%3D1,L:eq?%5Cfrac%7Bx%7D%7B3%7D+y%3D1,P为L上任意一点,过P引椭圆的切线PA、PB,若ODeq?%5CperpAB,D为垂足,求证存在点Q,使得DQ为定值,并求该定值。

分析:

    由性质2我们知道AB过定点R,有L方程知R的坐标为(2,3),由ODeq?%5CperpAB,知D在以OR为直径的圆上,则OR的中点即为Q,且DQ=eq?%5Cfrac%7B%5Csqrt%7B13%7D%7D%7B2%7D

结语:

 

    极点极线的思想能够帮助解决解析几何中一些常见模型,学会极点极线思想不是背诵好结论,而是形成一种直觉,当题目给定了定点时,迅速考虑其极线在题中是否有用,给定定直线则亦然。

    本文例题皆以椭圆为例,其它二次曲线的例题请读者自行研究。

    本文尚未给出的较为复杂的极点极线的性质和各色例题,可移步至此进一步研究:    极点极线10个性质以及在近几年全国卷中的应用 (qq.com)

     

 

 

    

     

 

 

 



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