一道高考解析几何题与圆锥曲线又一统一性质

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  摘 要:本文从一道高考解析几何题出发,探讨了圆锥曲线过定点的问题,并得出圆锥曲线的又一统一性质.
  关键词:圆锥曲线性质;交点坐标;椭圆;双曲线
  
  众所周知,圆锥曲线中有一类常见题型就是所谓过定点或定值问题,并且此类问题通常通过方程有无数解或点满足某方程转化求解,其转化途径主要以一元二次方程,或利用点在曲线上构造方程,即通常所说的“点差法”与“判别式法”,尤其是与直线与曲线位置相关问题,很少要直接解方程组求交点再转化,但问题的情形有时又是必须解交点才能够转化求解.
  下面看如下一道高考题:
  例(2010江苏) 在平面直角坐标系xOy中,如图1,已知椭圆+=1的左、右顶点为A,B,右焦点为F. 设过点T(t,m)的直线TA,TB与椭圆分别交于点M(x1,y1),N(x2,y2),其中m>0,y1>0,y2<0.
  (1)设动点P满足PF2-PB2=4,求点P的轨迹;
  (2)设x1=2,x2=,求点T的坐标;
  (3)设t=9,求证:直线MN必过x轴上的一定点(其坐标与m无关).
  
  图1
  分析 本题主要考查求简单曲线的方程,考查直线与椭圆的方程等基础知识,考查运算求解能力和探究问题的能力.(1)(2)从略,下面主要看(3),由于本题中M,N两点在椭圆上,很容易联想到,从利用点的坐标满足椭圆方程构造关系式进而转化寻找,因此设M(x1,y1),N(x2,y2),则过这两点的直线方程为(y2-y1)(x-x1)-(x2-x1)(y-y1)=0,从而直线MN与x轴的交点的横坐标满足x=+y1=. 由于M(x1,y1),N(x2,y2)两点分别是两条直线与椭圆的交点,同时表达式为一次形式,因此一般意义上的“点差法”与“判别式法”就难奏效,要考虑利用直线与曲线相交解方程组求交点坐标,进而转化,给本题求解带来一定的难度,
  下面先看一般解法:
  (3)由点T的坐标为(9,m),得直线MTA方程为=,即y=(x+3),
  直线NTB的方程为=,即y=(x-3). 分别与椭圆+=1联立方程组,同时考虑到x1≠-3,x2≠3,解得
  M,,
  N,-.
  当x1≠x2时,直线MN的方程为
  =,
  令y=0,解得x=1.
  此时必过点D(1,0);当x1=x2时,直线MN方程为x=1,与x轴交点为D(1,0).所以直线MN必过x轴上的一定点D(1,0).
  另一方面,从上面求解可以看到直线AM,BN的斜率满足2kMA=kBN,因此本题可以利用斜率作参数.由点T的坐标为(9,m),得kMA=,kBN=,所以可设直线MA,BN的方程分别为y=k(x+3),y=2k(x-3),联立直线与椭圆方程得: y=k(x+3),+=1, y=2k(x-3),+=1, 解得
  M,,
  N,,
  代入x=+y1=,可得x=1,下略;
  分析一下(3)可以得到实质为两条直线满足斜率2倍关系时直线过定点,因此本题(3)可以变为:过A,B两点作两条直线MA,NB,当斜率满足2kMA=kBN时,直线MN与x轴交点为定点.
  ?摇其次考虑点的特殊性是否可以把上述问题推广到一般情形呢?即有:
  问题1:已知椭圆+=1的左、右顶点为A,B,设过A,B两点分别作直线TA,TB与椭圆分别交于点M(x1,y1),N(x2,y2),当kTB=2kTA时,求证:直线MN必过x轴上的一定点.
  分析:同上,可设直线MA,BN的方程分别为:y=k(x+a),y=2k(x-a),联立直线与椭圆方程得
  y=k(x+a),+=1, y=2k(x-a),+=1, 解得
  M,,
  N,;
  代入x=+y1=,
  可得x=,从而结论成立.
  另一方面,过两顶点可以作无数条直线,是否只要当两条直线斜率满足2倍关系时才有上述结论呢?事实不是.
  问题2:已知椭圆+=1的左、右顶点为A,B,设过A,B两点分别作直线TA,TB与椭圆分别交于点M(x1,y1),N(x2,y2),当kTB=mkTA时,求证:直线MN必过x轴上的一定点.
  简析:同上,可设直线MA,BN的方程分别为y=k(x+a),y=2k(x-a),联立直线与椭圆方程得
  y=k(x+a),+=1, y=mk(x-a),+=1, 解得
  M,,
  N,;
  代入x=+y1=,
  可得x=,从而结论成立.
  通过上面的变式讨论,我们可以得到关于椭圆过长轴端点的一组直线性质,由于椭圆与双曲线在性质上有许多可比性,那么上面的问题对于双曲线是否也成立呢?于是我们还可以有:
  问题3:已知双曲线-=1的左、右顶点为A,B,设过A,B两点分别作直线TA,TB与椭圆分别交于点M(x1,y1),N(x2,y2),当kTB=2kTA时,求证:直线MN必过x轴上的一定点.
  简析:同上,可设直线MA,BN的方程分别为y=k(x+a),y=2k(x-a),联立直线与椭圆方程得
  y=k(x+a),-=1, y=2k(x-a),-=1, 解得
  M,,
  N,;
  代入x=+y1=,
  可得x=,从而结论成立.
  可以证明类似问题2的类比结论也成立,因此可以得到关于椭圆与双曲线的又一共同性质. 同时告诉我们解题后应反思,不论对于解题方法的提高,还是对于一般方法的总结与提升都是很有帮助的.
  
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