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  • 2021-06-15 发布

高中数学第二讲参数方程三直线的参数方程学案新人教A版选修4-41

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三 直线的参数方程 1.掌握直线的参数方程及参数的几何意义. 2.能用直线的参数方程解决简单问题. 1.直线的参数方程的标准形式 过定点 M0(x0,y0),倾斜角为α(α≠π 2 )的直线 l 的普通方程为 y-y0=(x-x0)tan α,它的参数方程为____________,这种形式称为直线参数方程的标准形式. 其中参数 t 的几何意义是:________________,即|M0M|=|t|. 若______,则 0M M  的方向向上; 若______,则 0M M  的方向向下; 若______,则 M 与 M0 重合. 【做一做 1-1】 直线 x=-2- 2t, y=3+ 2t (t 为参数)上与点 P(-2,3)的距离等于 2的 点的坐标是( ). A.(-4,5) B.(-3,4) C.(-3,4)或(-1,2) D.(-4,5)或(0,1) 【做一做 1-2】 参数方程 x=t+1 t , y=2 (t 是参数)表示的曲线是( ). A.一条直线 B.两条直线 C.一条射线 D.两条射线 2.根据直线的参数方程判断直线的倾斜角 根据参数方程判断倾斜角,首先要看参数方程的形式是不是标准形式,如果是标准形式, 根据方程就可以判断出倾斜角,例如 x=2+tcos 20°, y=-4+tsin 20° (t 为参数),可以直接判断出直 线的倾斜角是 20°.如果不是标准形式,就不能直接判断出倾斜角了,例如判断直线 x=tsin 20°+3, y=-tcos 20° (t 为参数)的倾斜角,有两种方法: 第一种方法:化为普通方程,求倾斜角. 把参数方程改写成 x-3=tsin 20°, -y=tcos 20°, 消去 t,有 y=- x-3 tan 20° , 即 y=(x-3)tan 110°,所以直线的倾斜角为 110°. 第二种方法:化参数方程为直线的标准参数方程 x=3+ -t cos 110°, y= -t sin 110°. 令-t =t′,则 x=3+t′cos 110°, y=t′sin 110°, 所以直线的倾斜角为 110°. 【做一做 2-1】 直线 x=-2+tcos 60°, y=3+tsin 60° (t 为参数)的倾斜角α等于( ). A.30° B.60° C.-45° D.135° 【做一做 2-2】 过点(5,-4),倾斜角α满足 tan α=-4 5 的直线 l 的参数方程是 ( ). A. x=5+5t, y=-4-9t (t 为参数) B. x=5-5t, y=-4+4t (t 为参数) C. x=5+5t, y=-4+4t (t 为参数) D. x=5-5t, y=-4-4t (t 为参数) 3.直线的一般参数方程转化为标准参数方程的方法 给出直线的非标准式参数方程 x=x0+at, y=y0+bt (t 为参数),根据标准式的特点,参数 t 的系数应分别是倾斜角的正弦和余弦值,根据三角函数的性质知其平方和为 1,所以可以化 为 x=x0+ a a2+b2 × a2+b2t, y=y0+ b a2+b2 × a2+b2t (t 为参数),再进一步令 cos α= a a2+b2 ,sin α= b a2+b2 ,根据直线倾斜角的范围让α在[0,π)范围内取值,并且把 a2+b2t 看成相应的参 数 t′,即得标准式的参数方程 x=x0+t′cos α, y=y0+t′sin α (t′为参数). 由转化的过程可以看出,在一般参数方程 x=x0+at, y=y0+bt (t 为参数)中, a2+b2t 具有 标准式参数方程中参数的几何意义.所以有些较简单的问题可以不必转化为标准形式,而直 接求出相应的 t,再乘 a2+b2即可继续使用标准形式中参数的几何意义. 【做一做 3】 写出直线 2x-y+1=0 的参数方程的标准形式,并求直线上的点 M(1,3) 到点 A(3,7),B(8,6)的距离. 答案:1. x=x0+tcos α, y=y0+tsin α (t 为参数) |t|是直线上任一点 M(x,y)到 M0(x0,y0) 的距离 t>0 t<0 t=0 【做一做 1-1】 C 【做一做 1-2】 D y=2 表示一条平行于 x 轴的直线. ①当 t>0 时 x=t+1 t ≥2 t·1 t =2; ②当 t<0 时 x=t+1 t ≤-2 t·1 t =-2, 即 x≥2 或 x≤-2,所以表示两条射线. 【做一做 2-1】 B 【做一做 2-2】 B 【做一做 3】 解:根据直线的普通方程可知斜率是 2,设直线的倾斜角为α,则 tan α=2,sin α=2 5 5 ,cos α= 5 5 ,所以直线的参数方程是 x=1+ 5 5 t, y=3+2 5 5 t (t 为参数).经 验证易知,点 A(3,7)恰好在直线上,所以由 1+ 5 5 t=3 得 t=2 5,即点 M 到点 A 的距离 是 2 5.而点 B(8,6)不在直线上,所以不能使用参数 t 的几何意义,根据两点之间的距离公 式得 1-8 2+ 3-6 2= 58. 综上,点 M(1,3)到点 A(3,7)的距离为 2 5,到点 B(8,6)的距离为 58. 1.直线的参数方程 剖析:首先,参数 t 可以理解为直线 l 上有向线段M0M→的数量.参数 t 的几何意义可以 与数轴上点 A 的坐标 a 的意义作类比,即 a=±|OA|,当 A 在 O 的右侧时取“+”;当 A 在 O 的左侧时取“-”,所以,数轴上点 A 的坐标就是有向线段OA→的数量.同样,当点 M 在 M0 的上方时,t>0;当点 M 在 M0 的下方时,t<0;当点 M 与点 M0 重合时,t=0. 其次,如果把直线的普通方程 y-y0=tan α(x-x0)写为 y-y0 sin α = x-x0 cos α ,令上述比例 式的比值为 t,即 y-y0 sin α = x-x0 cos α =t,由此即得直线的参数方程. 另外,在得到直线的参数方程后,应当注意α,x0,y0 都是常数,t 是参数. 2.直线的参数方程的其他形式 剖析:对于同一直线的普通方程选取的参数不同,会得到不同的参数方程.例如,对于 直线普通方程 y=2x+1,如果令 x=t,可得到参数方程 x=t, y=2t+1 (t 为参数);如果令 x =t 2 ,可得到参数方程 x=t 2 , y=t+1 (t 为参数).这样的参数方程中的 t 不具有一定的几何意 义,但是在实际应用中有时能够简化某些运算.例如,动点 M 做匀速直线运动,它在 x 轴和 y 轴方向的分速度分别为 9 和 12,点 M 从 A 点(1,1)开始运动,求点 M 的轨迹的参数方程.点 M 的轨迹的参数方程可以直接写为 x=1+9t, y=1+12t (t 为参数). 3.根据直线的参数方程,判断直线的平行和垂直 剖析:对于直线参数方程的标准形式,容易看出直线的倾斜角及斜率,直接根据倾斜角 或斜率关系来判断直线的平行和垂直. 如果直线的参数方程是一般形式,例如:直线 l1 的方程为 x=x1+a1t, y=y1+b1t (t 为参数), 直线 l2 的方程为 x=x2+a2t, y=y2+b2t (t 为参数).若 l1 与 l2 平行时,它们的斜率存在的话应是 相等的,即b1 a1 =b2 a2 ⇒a1b2-a2b1=0;斜率不存在时有 a1=a2=0,则必有 l1∥l2.故得到一般性 结论:不重合的两条直线 l1 与 l2 平行时,有 a1b2-a2b1=0,反之也成立,即不重合的直线 l1∥l2⇔a1b2-a2b1=0.若 l1 与 l2 垂直,斜率存在时有b1 a1 ·b2 a2 =-1⇒a1a2+b1b2=0,易知斜率 不存在时,直线 l1 与 l2 的系数也满足 a1a2+b1b2=0.故直线 l1⊥l2⇔a1a2+b1b2=0. 题型一 求经过点 P(x0,y0),倾斜角是α的直线的参数方程 【例 1】 已知直线 l 过点 P(3,4),且它的倾斜角θ=120°. (1)写出直线 l 的参数方程; (2)求直线 l 与直线 x-y+1=0 的交点. 分析:根据直线过点(3,4)及直线的倾斜角θ=120°,得该直线的参数方程,然后与 x -y+1=0 联立可求得交点. 反思:由直线上一定点和直线的倾斜角,可确定直线的方程. 题型二 求经过两个定点 P(x1,y1),Q(x2,y2)(其中 x1≠x2)的直线的参数方程 【例 2】 已知两点 A(1,3),B(3,1)和直线 l:y=x,求过点 A,B 的直线的参数方程, 并求它与直线 l 的交点 M 分 AB 的比. 分析:由已知直线过两定点,代入公式 x=x1+λx2 1+λ , y=y1+λy2 1+λ (λ为参数,λ≠-1),可 得直线的参数方程,然后再求与直线 y=x 的交点. 题型三 直线的参数方程的应用 【例 3】 已知直线 l 过定点 P(3,2)且与 x 轴和 y 轴的正半轴分别交于 A,B 两点,求 |PA|·|PB|的值为最小时的直线 l 的方程. 分析:本题可用直线的普通方程求解,但运算较麻烦,如果用直线的参数方程来解就可 以把问题转化为三角函数的最小值问题,便于计算. 题型四 易错辨析 【例 4】 已知过点 M(2,-1)的直线 l: x=2-t 2 , y=-1+t 2 (t 为参数),与圆 x2+y2=4 交于 A,B 两点,求|AB|及|AM|·|BM|. 错解:把直线方程代入圆的方程,化简得 t2-6t+2=0.设 A,B 两点对应的参数分别为 t1,t2,那么 t1+t2=6,t1·t2=2,由于|MA|=|t1|,|MB|=|t2|,从而|MA|·|MB|=|t1·t2| =2,|AB|=|t2-t1|= t1+t2 2-4t1t2= 62-4×2=2 7. 答案:【例 1】 解:(1)直线 l 的参数方程为 x=3+tcos 120°, y=4+tsin 120° (t 为参数), 即 x=3-1 2 t, y=4+ 3 2 t (t 为参数). (2)把 x=3-1 2 t, y=4+ 3 2 t 代入 x-y+1=0, 得 3-1 2 t-4- 3 2 t+1=0,解得 t=0. 把 t=0 代入 x=3-1 2 t, y=4+ 3 2 t, 得两直线的交点为(3,4). 【例 2】 解:设直线 AB 上一动点 P(x,y),选取参数λ=AP PB ,则直线 AB 的参数方程 为 x=1+3λ 1+λ , y=3+λ 1+λ (λ为参数).① 把①代入 y=x,得1+3λ 1+λ =3+λ 1+λ ,解得λ=1,所以 M 分 AB 的比:AM MB =1. 【例 3】 解:设直线的倾斜角为α,则它的方程为 x=3+tcos α, y=2+tsin α (t 为参数).由 A,B 是坐标轴上的点知 yA=0,xB=0,∴0=2+tsin α,即|PA|=|t|= 2 sin α ,0=3+tcos α,即|PB|=|t|=- 3 cos α ,故|PA|·|PB|= 2 sin α ·(- 3 cos α )=- 12 sin 2α . ∵90°<α<180°, ∴当 2α=270°,即α=135°时,|PA|·|PB|有最小值. ∴直线方程为 x=3- 2 2 t, y=2+ 2 2 t (t 为参数),化为普通方程为 x+y-5=0. 【例 4】 错因分析:直线 l 的方程中,参数 t 的意义与直线参数方程的标准形式中 参数 t 的意义是不同的,后者是有向线段MP→的数量,而前者则不同,错解中把两者等同起来, 错用了参数的几何意义. 正解:l 的参数方程为 x=2- 2 2 t 2 , y=-1+ 2 2 t 2 (t 为参数). 令 t′= t 2 ,则有 x=2- 2 2 t′, y=-1+ 2 2 t′ (t′是参数). 其中 t′是点 M(2,-1)到直线 l 上的一点 P(x,y)的有向线段的数量,代入圆的方程 x2+y2=4,化简得 t′2-3 2t′+1=0.∵Δ>0,可设 t1′,t2′是方程的两根,由根与系 数关系得 t1′+t2′=3 2,t1′t2′=1.由参数 t′的几何意义得|MA|=|t1′|,|MB|= |t2′| , ∴ |MA|·|MB| = |t1′·t2′| = 1 , |AB| = |t1′ - t2′| = t1′+t2′ 2-4t1′t2′= 14. 1 直线 2 cos50 , 3 sin 40 x t y t         (t 为参数)的倾斜角α等于( ). A.40° B.50° C.-45° D.135° 2 若 0 0 3 , 4 x x y y        (λ为参数)与 0 0 cos , sin x x t y y t        (t 为参数)表示同一条直线,则λ与 t 的关系是( ). A.λ=5t B.λ=-5t C.t=5λ D.t=-5λ 3 直线 12 ,2 112 x t y t       (t 为参数)被圆 x2+y2=4 截得的弦长为( ). A. 14 B. 13 C. 2 3 D.3 4 已知 P1,P2 是直线 11 ,2 32 2 x t y t        (t 为参数)上的两点,它们所对应的参数分别为 t1, t2,则线段 P1P2 的中点到点 P(1,-2)的距离是( ). A. 1 2 2 t t B. 1 2 2 t t C. 1 2 2 t t D. 2 2 tl t 5 已知直线 l 的方程为 3x-4y+1=0,点 P(1,1)在直线 l 上,写出直线 l 的参数方程, 并求点 P 到点 M(5,4)和点 N(-2,6)的距离. 答案:1.D 根据 tan α= sin 40 cos50    =-1,因此倾斜角为 135°. 2.C 由 x-x0,得-3λ=tcos α,由 y-y0,得 4λ=tsin α,消去α的三角函数, 得 25λ2=t2,得 t=±5λ,借助于直线的斜率,可排除 t=-5λ,所以 t=5λ. 3.A 直线为 x+y-1=0,圆心到直线的距离 d= 1 2 22  ,所以弦长的一半为 2 22 142 2 2       ,即弦长为 14 . 4.B 由 t 的几何意义可知,P1P2 的中点对应的参数为 1 2 2 t t ,P 对应的参数为 t=0, ∴它到点 P 的距离为 1 2 2 t t . 5.解:由直线方程 3x-4y+1=0 可知,直线的斜率为 3 4 ,设直线的倾斜角为α, 则 tan α= 3 4 ,sin α= 3 5 ,cos α= 4 5 . 又点 P(1,1)在直线 l 上. 所以直线 l 的参数方程为 41 ,5 31 5 x t y t       (t 为参数). 因为 3×5-4×4+1=0,所以点 M 在直线 l 上.由 1+ 4 5 t=5,得 t=5,即点 P 到点 M 的距离为 5. 因 为 点 N 不 在 直 线 l 上 , 故 根 据 两 点 之 间 的 距 离 公 式 , 可 得 |PN| = 2 2(1 2) (1 6) 34    .