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张同语新课标教材数学4北师大版98页有这样一道题,如图所示,已知Ax1,y1,B(x2,y2),试求以AB为直径的圆的方程.
利用平面向量数量积知识容易求得以AB为直径的圆的方程为x-x1x-x2+y-y1y-y2=0(1).这道题给出了圆的方程的又一种形式,一般称之为圆的两点式方程,该方程形式简明,富有美感,容易记忆.本文从以下几个方面挖掘其潜在的应用价值.
一、方程的直接应用
例1已知抛物线y=x2-1与x轴交于A(-1,0)和B1,0,在此抛物线上取点P异于A点和Q,使得AP垂直PQ,试求点Q的横坐标的取值范围.
解析:设Px1,x21-1,Q(x2,x22-1),则以AQ为直径的圆的方程为:x+1x-x2+y[y-(x22-1)]=0,因为AP垂直PQ,点P在该圆上,所以x1+1x1-x2+x21-1x21-1-x22+1=0,因为x1+1≠0,x1-x2≠0.所以x21+(x2-1)x1-x2+1=0.那么由Δ=(x2-1)2-4(1-x2)2≥0,解得x2≥1或x2≤-3.所以点Q横坐标的取值范围为:(-∞,3]∪[1,+∞).
例2 2013年蚌埠市第二次质量检查理科已知椭圆x2a2+y2b2=1的两个焦点为F1(-c,0),F2(c,0),其中a,b,c都是正数,长轴长是4,原点到过点A0,-b和Ba,0两点的直线的距离为2217.
1 求椭圆的方程.
2 点M,N是定直线x=4上的两个动点,F1M·F2M=0,证明以MN为直径的圆过定点,并求此定点的坐标.
解析:1方程为:x24+y23=1.解答略.
2令M(4,y1),N(4,y2),由已知F1M·F2M=0y1y2=-15.以MN为直径的圆的方程为:(x-4)2+(y-y1)(y-y2)=0,化简得:x2+y2-(y1+y2)y-8x+1=0.令y=0x2-8x+1=0x=4±15.所以过定点(4±15,0).
二、结论的变式应用
将方程1变形为x2+y2-(x1+x2)x-(y1+y2)y+x1x2+y1y2=0,在该变式中含有x1+x2,y1+y2,x1x2,y1y2由此可联想将之运用于解决直线与圆锥曲线位置关系的问题上面.
例32013年皖北省示范高中联考理科已知椭圆x29+y24=1,过点P(0,3)作直线L顺次交椭圆于A,B点,以线段AB为直径作圆,则此圆是否过坐标原点,若能,求出以AB为直径的圆过原点时直线L的方程.若不能,请说明理由.
解析:易知直线L垂直于x轴时不合要求,故设直线L的斜率为k,则L方程为:y=kx+3,联立x29+y24=1.y=kx+3,得(9k2+4)x2+54kx+45=0.由Δ>0k2>59.设A(x1,y1),B(x2,y2),则以AB为直径的圆的方程为:(x-x1)(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.若过原点则(0-x1)(0-x2)+(0-y1)(0-y2)=0,即x1x2+y1y2=0.又因为y1=kx1+3,y2=kx2+3.所以x1x2+y1y2=(1+k2)x1x2+3k(x1+x2)+9=(1+k2)·459k2+4+3k(-54k9k2+4)+9=0k=±32,且k2>59.故以AB为直径的圆能过原点,此时直线方程为:3x-2y+6=0或3x+2y-6=0
三、结论的形成应用
由直线L与二次曲线C相交于A(x1,y1),B(x2,y2).联立直线L与二次曲线C的方程,消去y可得:x2-(x1+x2)x+x1x2=0,消去x可得y2-(y1+y2)y+y1y2=0,两式相加便可得以线段AB为直径的圆的方程:x2+y2-(x1+x2)x-(y1+y2)y+x1x2+y1y2=0.
例42013年皖北省示范高中联考文科已知中心在原点,焦点在坐标轴上的椭圆过M1,33,直线L:y=x+1与该椭圆交于点P和点Q,且OP垂直OQ,求椭圆的方程.
解析:由条件可设椭圆方程为:Ax2+By2=1(A>0,B>0).联立直线方程和椭圆方程消去y得:(A+B)x2+2Bx+B-1=01.消去x得:(A+B)y2-2Ay+A-1=02.则1+(2)得以线段PQ为直径的圆的方程:(A+B)x2+(A+B)y2+2Bx-2Ay+A+B-2=0.因为OP垂直于OQ,所以原点在圆上,代入可得:A+B-2=03,又点M1,33在圆上,代入可得:A+13B=14.联立3和4解得:A=12,B=32,所以椭圆的方程为:3x2+y2=2.
[安徽省五河一中233300]
利用平面向量数量积知识容易求得以AB为直径的圆的方程为x-x1x-x2+y-y1y-y2=0(1).这道题给出了圆的方程的又一种形式,一般称之为圆的两点式方程,该方程形式简明,富有美感,容易记忆.本文从以下几个方面挖掘其潜在的应用价值.
一、方程的直接应用
例1已知抛物线y=x2-1与x轴交于A(-1,0)和B1,0,在此抛物线上取点P异于A点和Q,使得AP垂直PQ,试求点Q的横坐标的取值范围.
解析:设Px1,x21-1,Q(x2,x22-1),则以AQ为直径的圆的方程为:x+1x-x2+y[y-(x22-1)]=0,因为AP垂直PQ,点P在该圆上,所以x1+1x1-x2+x21-1x21-1-x22+1=0,因为x1+1≠0,x1-x2≠0.所以x21+(x2-1)x1-x2+1=0.那么由Δ=(x2-1)2-4(1-x2)2≥0,解得x2≥1或x2≤-3.所以点Q横坐标的取值范围为:(-∞,3]∪[1,+∞).
例2 2013年蚌埠市第二次质量检查理科已知椭圆x2a2+y2b2=1的两个焦点为F1(-c,0),F2(c,0),其中a,b,c都是正数,长轴长是4,原点到过点A0,-b和Ba,0两点的直线的距离为2217.
1 求椭圆的方程.
2 点M,N是定直线x=4上的两个动点,F1M·F2M=0,证明以MN为直径的圆过定点,并求此定点的坐标.
解析:1方程为:x24+y23=1.解答略.
2令M(4,y1),N(4,y2),由已知F1M·F2M=0y1y2=-15.以MN为直径的圆的方程为:(x-4)2+(y-y1)(y-y2)=0,化简得:x2+y2-(y1+y2)y-8x+1=0.令y=0x2-8x+1=0x=4±15.所以过定点(4±15,0).
二、结论的变式应用
将方程1变形为x2+y2-(x1+x2)x-(y1+y2)y+x1x2+y1y2=0,在该变式中含有x1+x2,y1+y2,x1x2,y1y2由此可联想将之运用于解决直线与圆锥曲线位置关系的问题上面.
例32013年皖北省示范高中联考理科已知椭圆x29+y24=1,过点P(0,3)作直线L顺次交椭圆于A,B点,以线段AB为直径作圆,则此圆是否过坐标原点,若能,求出以AB为直径的圆过原点时直线L的方程.若不能,请说明理由.
解析:易知直线L垂直于x轴时不合要求,故设直线L的斜率为k,则L方程为:y=kx+3,联立x29+y24=1.y=kx+3,得(9k2+4)x2+54kx+45=0.由Δ>0k2>59.设A(x1,y1),B(x2,y2),则以AB为直径的圆的方程为:(x-x1)(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.若过原点则(0-x1)(0-x2)+(0-y1)(0-y2)=0,即x1x2+y1y2=0.又因为y1=kx1+3,y2=kx2+3.所以x1x2+y1y2=(1+k2)x1x2+3k(x1+x2)+9=(1+k2)·459k2+4+3k(-54k9k2+4)+9=0k=±32,且k2>59.故以AB为直径的圆能过原点,此时直线方程为:3x-2y+6=0或3x+2y-6=0
三、结论的形成应用
由直线L与二次曲线C相交于A(x1,y1),B(x2,y2).联立直线L与二次曲线C的方程,消去y可得:x2-(x1+x2)x+x1x2=0,消去x可得y2-(y1+y2)y+y1y2=0,两式相加便可得以线段AB为直径的圆的方程:x2+y2-(x1+x2)x-(y1+y2)y+x1x2+y1y2=0.
例42013年皖北省示范高中联考文科已知中心在原点,焦点在坐标轴上的椭圆过M1,33,直线L:y=x+1与该椭圆交于点P和点Q,且OP垂直OQ,求椭圆的方程.
解析:由条件可设椭圆方程为:Ax2+By2=1(A>0,B>0).联立直线方程和椭圆方程消去y得:(A+B)x2+2Bx+B-1=01.消去x得:(A+B)y2-2Ay+A-1=02.则1+(2)得以线段PQ为直径的圆的方程:(A+B)x2+(A+B)y2+2Bx-2Ay+A+B-2=0.因为OP垂直于OQ,所以原点在圆上,代入可得:A+B-2=03,又点M1,33在圆上,代入可得:A+13B=14.联立3和4解得:A=12,B=32,所以椭圆的方程为:3x2+y2=2.
[安徽省五河一中233300]