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- 2021-06-16 发布
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§9.8 曲线与方程
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考点1 直接法求轨迹方程
1.曲线与方程
一般地,在直角坐标系中,如果某曲线C上的点与一个二元方程f(x,y)=0的实数解建立了如下的关系:
(1)曲线上点的坐标都是________的解;
(2)以这个方程的解为坐标的点都是________的点.
那么,这个方程叫做曲线的方程,这条曲线叫做方程的曲线.
曲线可以看作是符合某条件的点的集合,也可看作是适合某种条件的点的轨迹,因此,此类问题也叫轨迹问题.
答案:(1)这个方程 (2)曲线上
2.求曲线方程的基本步骤
[典题1] (1)已知动圆过定点A(4,0),且在y轴上截得弦MN的长为8.
①求动圆圆心的轨迹C的方程;
②已知点B(-1,0),设不垂直于x轴的直线l与轨迹C交于不同的两点P,Q,若x轴是∠PBQ的角平分线,证明:直线l过定点.
①[解] 如图,设动圆圆心为O1(x,y),
由题意,|O1A|=|O1M|,
当O1不在y轴上时,过O1作O1H⊥MN交MN于H,则H是MN的中点.
∴|O1M|=,
又|O1A|=,
∴=,
化简得y2=8x(x≠0).
当O1在y轴上时,O1与O重合,点O1的坐标(0,0)也满足方程y2=8x,
∴动圆圆心的轨迹C的方程为y2=8x.
②[证明] 由题意,设直线l的方程为y=kx+b(k≠0),
P(x1,y1),Q(x2,y2),
将y=kx+b代入y2=8x,得
k2x2+(2kb-8)x+b2=0.
其中Δ=-32kb+64>0.
由根与系数的关系,得
x1+x2=,①
x1x2=,②
因为x轴是∠PBQ的角平分线,
所以=-,
即y1(x2+1)+y2(x1+1)=0,
(kx1+b)(x2+1)+(kx2+b)(x1+1)=0,
2kx1x2+(b+k)(x1+x2)+2b=0,③
将①②代入③,得2kb2+(k+b)(8-2kb)+2k2b=0,
∴k=-b,此时Δ>0,
∴直线l的方程为y=k(x-1),即直线l过定点(1,0).
(2)在平面直角坐标系xOy中,点B与点A(-1,1)关于原点O对称,P是动点,且直线AP与BP的斜率之积等于-.求动点P的轨迹方程.
[解] 因为点B与点A(-1,1)关于原点O对称,所以点B的坐标为(1,-1).
设点P的坐标为(x,y),
由题意得·=-,
化简得x2+3y2=4(x≠±1).
故动点P的轨迹方程为x2+3y2=4(x≠±1).
[点石成金] 直接法求曲线方程时,最关键的就是把几何条件或等量关系翻译为代数方程,要注意翻译的等价性.通常将步骤简记为建系设点、列式、代换、化简、证明这五个步骤,但最后的证明可以省略,如果给出了直角坐标系,则可省去建系这一步,求出曲线的方程后还需注意检验方程的纯粹性和完备性.
考点2 定义法求轨迹方程
[典题2] 已知动圆C与圆C1:(x+1)2+y2=1相外切,与圆C2:(x-1)2+y2=9相内切,设动圆圆心C的轨迹为T,且轨迹T与x轴右半轴的交点为A.
(1)求轨迹T的方程;
(2)已知直线l:y=kx+m与轨迹T相交于M,N两点(M,N不在x轴上).若以MN为直径的圆过点A,求证:直线l过定点,并求出该定点的坐标.
[解] (1)设动圆C的半径为r,则
|CC1|=r+1,|CC2|=3-r,
∴|CC1|+|CC2|=4.
∴点C的轨迹是以C1,C2为焦点(c=1),长轴长为2a=4的椭圆,
∴点C的轨迹T的方程是+=1.
(2)设M(x1,y1),N(x2,y2),
将y=kx+m代入椭圆方程,得
(4k2+3)x2+8kmx+4m2-12=0.
∴x1+x2=,x1x2=.①
∵以MN为直径的圆过点A,点A的坐标为(2,0),
∴·=0,即(x1-2)(x2-2)+y1y2=0.②
∵y1=kx1+m,y2=kx2+m,
∴y1y2=k2x1x2+km(x1+x2)+m2.③
将①③代入②,得7m2+16km+4k2=0.
∴=-或=-2,且都满足Δ>0.
由于直线l:y=kx+m与x轴的交点为,
当=-2时,直线l恒过定点(2,0),不合题意,舍去.
∴=-,
∴直线l:y=k恒过定点.
[点石成金] 1.运用圆锥曲线的定义求轨迹方程,可从曲线定义出发直接写出方程,或从曲线定义出发建立关系式,从而求出方程.
2.定义法和待定系数法适用于已知曲线的轨迹类型,其方程是几何形式的情况.利用条件把待定系数求出来,使问题得解.
如图,已知△ABC的两顶点坐标A(-1,0),B(1,0),圆E是△ABC的内切圆,在边AC,BC,AB上的切点分别为P,Q,R,|CP|=1(从圆外一点到圆的两条切线段长相等),动点C的轨迹为曲线M.求曲线M的方程.
解:由题知|CA|+|CB|=|CP|+|CQ|+|AP|+|BQ|=2|CP|+|AB|=4>|AB|,
所以曲线M是以A,B为焦点,长轴长为4的椭圆(挖去与x轴的交点).
设曲线M:+=1(a>b>0,y≠0),
则a2=4,b2=a2-2=3,
所以曲线M的方程为+=1(y≠0).
考点3 代入法求轨迹方程
[典题3] [2017·山东泰安质检]如图所示,动圆C1:x2+y2=t2,1<t<3,与椭圆C2:+y2=1相交于A,B,C,D四点,点A1,A2分别为C2的左,右顶点.
(1)当t为何值时,矩形ABCD的面积取得最大值?并求出其最大面积;
(2)求直线AA1与直线A2B的交点M的轨迹方程.
[解] (1)设A(x0,y0),则S矩形ABCD=4|x0y0|,
由+y=1得y=1-,
从而xy=x=-2+.
当x=,y=时,Smax=6.
从而t2=x+y=5,t=,
∴当t=时,矩形ABCD的面积取得最大值,最大值为6.
(2)由椭圆C2:+y2=1知,A1(-3,0),A2(3,0),
由曲线的对称性及A(x0,y0),得B(x0,-y0),
设点M的坐标为(x,y),
直线AA1的方程为y=(x+3),①
直线A2B的方程为y=(x-3).②
由①②,得y2=(x2-9).③
又点A(x0,y0)在椭圆C上,故y=1-.④
将④代入③得-y2=1(x<-3,y<0).
∴点M的轨迹方程为-y2=1(x<-3,y<0).
[点石成金] 代入法求轨迹方程的四个步骤
(1)设出所求动点坐标P(x,y).
(2)寻求所求动点P(x,y)与已知动点Q(x′,y′)的关系.
(3)建立P,Q两坐标间的关系,并表示出x′,y′.
(4)将x′,y′代入已知曲线方程中化简求解.
1.[2017·宁夏银川模拟]动点A在圆x2+y2=1上移动时,它与定点B(3,0)连线的中点的轨迹方程是________.
答案:(2x-3)2+4y2=1
解析:设中点M(x,y),由中点坐标公式,可得A(2x-3,2y),
∵点A在圆上,将点A坐标代入圆的方程,
∴轨迹方程为(2x-3)2+4y2=1.
2.设F(1,0),点M在x轴上,点P在y轴上,且=2,⊥.当点P在y轴上运动时,求点N的轨迹方程.
解:设M(x0,0),P(0,y0),N(x,y),
∵⊥,=(x0,-y0),=(1,-y0),
∴(x0,-y0)·(1,-y0)=0,
∴x0+y=0.
由=2,得(x-x0,y)=2(-x0,y0),
∴即
∴-x+=0,即y2=4x.
故所求点N的轨迹方程是y2=4x.
[方法技巧] 求轨迹方程的三种方法:
(1)直接法:如果动点满足的几何条件本身就是一些几何量(如距离与角)的等量关系,或这些几何条件简单明了且易于表达,我们只需把这种关系转化为x,y的等式就得到曲线的轨迹方程.
(2)定义法:其动点的轨迹符合某一基本轨迹(如直线或圆锥曲线)的定义,则可根据定义设方程,求方程系数得到动点的轨迹方程.
(3)代入法(相关点法):所求动点M是随着另一动点P(称之为相关点)而运动的.如果相关点P所满足某一曲线方程,这时我们可以用动点坐标表示相关点坐标,再把相关点代入曲线方程,就把相关点所满足的方程转化为动点的轨迹方程,这种求轨迹的方法叫做相关点法或代入法.
[易错防范] 1.求轨迹方程时,要注意曲线上的点与方程的解是一一对应关系.检验可从以下两个方面进行:一是方程的化简是否是同解变形;二是是否符合题目的实际意义.
2.求点的轨迹与轨迹方程是不同的要求,求轨迹时,应先求轨迹方程,然后根据方程说明轨迹的形状、位置、大小等.
真题演练集训
1.[2016·新课标全国卷Ⅰ]设圆x2+y2+2x-15=0的圆心为A,直线l过点B(1,0)且与x轴不重合,l交圆A于C,D两点,过B作AC的平行线交AD于点E.
(1)证明|EA|+|EB|为定值,并写出点E的轨迹方程;
(2)设点E的轨迹为曲线C1,直线l交C1于M,N两点,过B且与l垂直的直线与圆A交于P,Q两点,求四边形MPNQ面积的取值范围.
解:(1)因为|AD|=|AC|,EB∥AC,
故∠EBD=∠ACD=∠ADC.
所以|EB|=|ED|,
故|EA|+|EB|=|EA|+|ED|=|AD|.
又圆A的标准方程为(x+1)2+y2=16,
从而|AD|=4,所以|EA|+|EB|=4.
由题设得A(-1,0),B(1,0),|AB|=2,由椭圆定义可得,点E的轨迹方程为+=1(y≠0).
(2)当l与x轴不垂直时,设l的方程为y=k(x-1)(k≠0),M(x1,y1),N(x2,y2).
由得(4k2+3)x2-8k2x+4k2-12=0,
则x1+x2=,x1x2=,
所以|MN|=|x1-x2|=.
过点B(1,0)且与l垂直的直线m:y=-(x-1),A到m的距离为,
所以|PQ|=2=4.
故四边形MPNQ的面积为
S=|MN||PQ|=12.
可得当l与x轴不垂直时,四边形MPNQ面积的取值范围为(12,8).
当l与x轴垂直时,其方程为x=1,|MN|=3,|PQ|=8,四边形MPNQ的面积为12.
综上,四边形MPNQ面积的取值范围为[12,8).
2.[2016·湖北卷]一种作图工具如图①所示.O是滑槽AB的中点,短杆ON可绕O转动,长杆MN通过N处铰链与ON连接,MN上的栓子D可沿滑槽AB滑动,且DN=ON=1,MN=3 .当栓子D在滑槽AB内做往复运动时,带动N绕O转动一周(D不动时,N也不动),M处的笔尖画出的曲线记为C.以O为原点, AB所在的直线为x轴建立如图②所示的平面直角坐标系.
① ②
(1)求曲线C的方程;
(2)设动直线l与两定直线l1:x-2y=0和l2:x+2y=0分别交于P,Q两点.若直线l总与曲线C有且只有一个公共点,试探究:△OPQ的面积是否存在最小值?若存在,求出该最小值;若不存在,请说明理由.
解:(1)设点D(t,0)(|t|≤2),N(x0,y0),M(x,y),依题意,=2,且||=||=1,
所以(t-x,-y)=2(x0-t,y0),
且
即且t(t-2x0)=0.
由于当点D不动时,点N也不动,所以t不恒等于0,
于是t=2x0,故x0=,y0=-.
代入x+y=1,可得+=1,
故曲线C的方程为+=1.
(2)①当直线l的斜率不存在时,直线l为x=4或x=-4,都有S△OPQ=×4×4=8.
②当直线l的斜率存在时,
设直线l:y=kx+m,
由消去y,可得
(1+4k2)x2+8kmx+4m2-16=0.
因为直线l总与椭圆C有且只有一个公共点,
所以Δ=64k2m2-4(1+4k2)(4m2-16)=0,
即m2=16k2+4.(*1)
又由 可得P;
同理可得Q.
由原点O到直线PQ的距离为d=和|PQ|=|xP-xQ|,
可得S△OPQ=|PQ|·d=|m||xP-xQ|
=|m|=.(*2)
将(*1)代入(*2),得
S△OPQ==8.
当k2>时,S△OPQ=8=8>8;
当0≤k2<时,S△OPQ=8=8.
因为0≤k2<,则0<1-4k2≤1,≥2,
所以S△OPQ=8≥8,
当且仅当k=0时等号成立.
所以当k=0时,S△OPQ的最小值为8.
综合①②可知,当直线l与椭圆C在四个顶点处相切时,△OPQ的面积取得最小值8.
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参数法求轨迹方程
[典例] 已知抛物线y2=4px(p>0),O为顶点,A,B为抛物线上的两动点,且满足OA⊥OB,如果OM⊥AB于点M,则点M的轨迹为________.
[审题视角] (1)点M的运动是由点A的运动引起的,而A的变动又和OA的斜率有关.(2)若OA的斜率确定,A的坐标确定,M的坐标也确定,所以可以选OA的斜率为参数.
[解析] 设点M的坐标为(x,y),直线OA的方程为y=kx,
显然k≠0,则直线OB的方程为y=-x.
由得点A的坐标为,
同理可得,点B的坐标为(4pk2,-4pk).
从而知当k≠±1时,
kAB==.
故得直线AB的方程为y+4pk=(x-4pk2),
即y+4p-x=0,①
直线OM的方程为y=-x.②
可知点M的坐标同时满足①②,
由①及②消去k,得4px=x2+y2,
即(x-2p)2+y2=4p2(x≠0),
当k=±1时,容易验证点M的坐标仍适合上述方程.
故点M的轨迹方程为(x-2p)2+y2=4p2(x≠0),
其轨迹是以点(2p,0)为圆心,以2p为半径的圆.
[答案] 以点(2p,0)为圆心,以2p为半径的圆