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调和点列中的定比点差法
【微点综述】
定比点差在处理三点共线、相交弦、定点定值、比例问题、调和点列等问题均具有优势,本文介绍定比点差法在调
和点列中的应用.
一、调和定比分点
若 AM
= λMB
且 AN
=-λNB
,则称 M ,N 调和分割 A,B,根据定义,那么 A,B 也调和分割 M ,N (其中 M
在线段 AB 内,称为内分点,N 在线段 AB 外,称为外分点).
二、调和定比分点的性质
【性质1】在椭圆或双曲线
x
2
a
2
±
y
2
b
2
= 1 a > 0,b > 0
中,设 A,B 为椭圆或双曲线上的两点.若存在 M ,N 调
和分割 A,B,即满足 AM
= λMB
,AN
=-λNB
,则一定有
x
M
x
N
a
2
±
y
M
y
N
b
2
= 1.
证明:由已知点 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
在椭圆或双曲线
x
2
a
2
±
y
2
b
2
= 1 a > 0,b > 0
上,设 M x
M
,y
M
,
N x
N
,y
N
.首先 AM
= λMB
,则由定比分点坐标公式可得
x
M
=
x
1
+λx
2
1 + λ
,
y
M
=
y
1
+λy
2
1 + λ
,
又 AN
=-λNB
,则由定比分点坐标公式可得
x
N
=
x
1
-λx
2
1 - λ
,
y
N
=
y
1
-λy
2
1 - λ
,
当 λ ≠±1 时,将 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
代入曲线,有
x
2
1
a
2
±
y
2
1
b
2
= 1 ①
x
2
2
a
2
±
y
2
2
b
2
= 1 ②
,
② × λ
2
得到
λ
2
x
2
2
a
2
±
λ
2
y
2
2
b
2
= λ
2
③
③和①作差整理可得:
x
1
+λx
2
x
1
-λx
2
a
2
1 + λ
1 - λ
±
y
1
+λy
2
y
1
-λy
2
b
2
1 + λ
1 - λ
= 1,将前式代入整理得
x
M
x
N
a
2
±
y
M
y
N
b
2
= 1.
【性质2】在抛物线 y
2
= 2px 中,设 A,B 为抛物线上的两点.若存在 M ,N 调和分割 A,B ,即满足 AM
=
λMB
,AN
=-λNB
,则一定有 y
P
y
Q
= p x
P
+x
Q
.
证明:设 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
,由 AM
= λMB
,得 M
x
1
+λx
2
1 + λ
,
y
1
+λy
2
1 + λ
,
由 AN
=-λNB
,得 N
x
1
-λx
2
1 - λ
,
y
1
-λy
2
1 - λ
,
又
y
1
2
= 2px
1
①
λ
2
y
2
2
= 2λ
2
px
2
②
,① - ②得:y
1
2
-λ
2
y
2
2
= p x
1
+x
1
-λ
2
x
2
-λ
2
x
2
,
即 y
1
+λy
2
y
1
-λy
2
= p x
1
+λx
2
+x
1
-λx
2
+λx
1
-λ
2
x
2
-λx
1
-λ
2
x
2
,
y
1
+λy
2
y
1
-λy
2
1 + λ
1 - λ
=
p(x
1
+λx
2
) 1 - λ
1 - λ
1 + λ
+
p x
1
-λx
2
1 + λ
1 - λ
1 + λ
,∴ y
P
y
Q
= p x
P
+x
Q
.
在椭圆、双曲线或抛物线中,设 A x
1
,y
1
定比点差的原理谜题解开,就是两个互相调和的定比分点坐标满足圆锥曲线的特征方程.
【性质3】
定比点差转换定理:
,B x
2
,y
2
为椭圆或双曲线上的两点.若存在 P,Q 两点,满足
AP
= λPB
,AQ
=-λQB
,则一定有
x
1
=
x
P
+x
Q
2
+
x
P
-x
Q
2
⋅ λ,
x
2
=
x
P
+x
Q
2
+
x
P
-x
Q
2λ
.
(重点中的重点!!!)
证明:
x
P
x
Q
a
2
±
y
P
y
Q
b
2
= 1 ⇒
x
1
+λx
2
1 + λ
= x
P
,
x
1
-λx
2
1 - λ
= x
Q
⇒
x
1
+λx
2
= 1 + λ
x
P
,
x
1
-λx
2
= 1 + λ
x
Q
⇒
x
1
=
x
P
+x
Q
2
+
x
P
-x
Q
2
⋅ λ,
x
2
=
x
P
+x
Q
2
+
x
P
-x
Q
2λ
.
三、
定比点差法在调和点列中的应用
例1.
已知椭圆 C:
x
2
4
+
y
2
2
= 1,过点 P 4,1
的动直线 l 交椭圆 C 于 A,B 两点,在线段 AB 上取点 Q 满足
AP
QB
= AQ
PB
,求证:点 Q 在某条定直线上.
A
B
O
P
Q
x
y
【解析】解法一:设
AP
PB
=
AQ
BQ
= λ λ ≠ 1
,即 AP
= λPB
,AQ
=-λQB
,设 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
,
Q x,y
,由于 AP
= λPB
,
4 =
x
1
+λx
2
1 + λ
⋅⋅⋅ ①
1 =
y
1
+λy
2
1 + λ
⋅⋅⋅ ②
,
又
x
2
1
4
+
y
2
1
2
= 1,
λ
2
x
2
2
4
+
λ
2
y
2
2
2
= λ
2
,两式相减得
x
1
+λx
2
x
1
-λx
2
4
+
y
1
+λy
2
y
1
-λy
2
2
= 1 - λ
2
③
①②式代入③式,
x
1
-λx
2
1 - λ
+
y
1
-λy
2
2 1 - λ
= 1 ④
又由于 AQ
=-λQB
,
x =
x
1
-λx
2
1 - λ
⋅⋅⋅ ⑤
y =
y
1
-λy
2
1 - λ
⋅⋅⋅ ⑥
,
⑤⑥式代入④式,x +
1
2
y = 1,即点 Q 在定直线 2x + y - 2 = 0 上.
解法二:设
AP
PB
=
AQ
BQ
= λ λ ≠ 1
,即 AP
= λPB
,AQ
=-λQB
,设 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
,Q x
0
,y
0
,
则 P
x
1
-λx
2
1 - λ
,
y
1
-λy
2
1 - λ
,Q
x
1
+λx
2
1 + λ
,
y
1
+λy
2
1 + λ
,
于是有
x
1
-λx
2
1 - λ
= 4,
y
1
-λy
2
1 - λ
= 1,
x
1
+λx
2
1 + λ
= x
0
,
y
1
+λy
2
1 + λ
= y
0
,
由点 A,B 在椭圆上,则
x
2
1
+2y
2
1
= 4,
λ
2
x
2
1
+2λ
2
y
2
1
= 4λ
2
,
于是有
x
1
+λx
2
1 + λ
⋅
x
1
-λx
2
1 - λ
+ 2 ⋅
y
1
+λy
2
1 + λ
⋅
y
1
-λy
2
1 - λ
= 4,即 4x
0
+2y
0
= 4,故点 Q 在定直线 2x + y - 2 = 0 上.
【评注】共线的四点成两组等比例线段,于是设 AP
= λPB
,AQ
=-λQB
,自然想到定比点差法,非常巧
妙地得到结论,体现出定比点差法比其他方法的优越性.
例2. 已知 F
1
、F
2
分别为椭圆 C
1
:
y
2
a
2
+
x
2
b
2
= 1(a > b > 0) 的上、下焦点,其中 F
1
也是抛物线 C
2
:x
2
= 4y 的焦
点,点 M 是 C
1
与 C
2
在第二象限的交点,且 |MF
1
| =
5
3
.
O
x
y
M
F
1
F
2
(1) 求椭圆 C
1
的方程;
(2) 已知点 P(1,3) 和圆 O:x
2
+y
2
= b
2
,过点 P 的动直线 l 与圆 O 相交于不同的两点 A,B,在线段 AB 上
取一点 Q,满足:AP
=-λPB
,AQ
= λQB
,(λ ≠ 0 且 λ ≠±1).求证:点 Q 总在某定直线上.
【答案】(1)
y
2
4
+
x
2
3
= 1;(2)x + 3y = 3 析】(1) 设 M x
0
,y
0
,由已知得
x
0
2
= 4y
0
y
0
+1 =
5
3
,可求得点 M 的坐标,
代入椭圆的方程中可求得 a,b,c,可得椭圆 C
1
的方程;(2) 由向量的坐标运算和向量相等的条件,以及
点在圆上可得出点 Q 所在的直线.
【解析】(1) 设 M x
0
,y
0
,因为点 M 在抛物线 C
2
上,且 |MF
1
| =
5
3
,所以
x
0
2
= 4y
0
y
0
+1 =
5
3
,解得
x
0
=-
2 6
3
y
0
=
2
3
,
又点 M 在抛物线 C
1
上,所以
2
3
2
a
2
+
-
2 6
3
2
b
2
= 1,且 c = 1,即 b
2
= a
2
-1,解得 a
2
= 4,b
2
= 3,
所以椭圆 C
1
的方程
y
2
4
+
x
2
3
= 1;
(2) 设 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
,Q x,y
,因为 AP
=-λPB
,所以 1 - x
1
,3 - y
1
=-λ x
2
-1,y
2
-3
,即有
x
1
-λx
2
= 1 - λ, 1
y
1
-λy
2
= 3 1 - λ
, 2
,
又 AQ
= λQB
,所以 x - x
1
,y - y
1
= λ x
2
-x,y
2
-y
,即有
x
1
+λx
2
= x 1 + λ
, 3
y
1
+λy
2
= y 1 + λ
, 4
,
所以 1
× 3
+ 2
× 4
得:x
1
2
+y
1
2
-λ
2
x
2
2
+y
2
2
= x + 3y
1 - λ
2
,
又点 A、B 在圆 x
2
+y
2
= 3 上,所以 x
1
2
+y
1
2
= 3,x
2
2
+y
2
2
= 3,又 λ ≠±1,所以 x + 3y = 3,
故点 Q 总在直线 x + 3y = 3 上.
O
P
Q
A
B
x
y
【评注】本题考查椭圆和抛物线的简单几何性质,以及直线与圆的交点问题,属于较难题.
例3. 在平面直角坐标系 xOy 中,已知椭圆 C :
x
2
a
2
+
y
2
b
2
= 1 a > b > 0
的离心率为
1
2
,以椭圆上的一点和
长轴的两个端点为顶点的三角形面积最大值为 2 3.
(1) 求 a,b 的值;
(2) 当过点 P 6,0
的动直线 l 与椭圆 C 交于不同的点 A,B 时,在线段 AB 上取点 Q,使得 AP
⋅ BQ
+
AQ
⋅ BP
= 0,问点 Q 是否总在某条定直线上?若是,求出该直线方程,若不是,说明理由.
【答案】(1)a = 2,b = 3;(2) 直线 Q 恒在定直线 x =
2
3
上析】(1) 利用椭圆 a,b,c 关系、离心率和三角
形面积可构造方程求得结果;
(2) 根据四点的位置关系可知
AP
AQ
=
BP
BQ
,由此可得 Q x
0
,y
0
中 y
0
=
2y
1
y
2
y
1
+y
2
,将直线 AB 方程代入
椭圆方程,得到韦达定理形式,整理可求得 y
0
,代入直线方程可知 x
0
=
3
2
恒成立,由此可确定结论.
【解析】(1) 以椭圆上的一点和长轴的两个端点为顶点的三角形面积最大时,三角形另一顶点为椭圆短
轴的端点,∴
a
2
= b
2
+c
2
e =
c
a
=
1
2
1
2
× 2a × b = ab = 2 3
,解得:a = 2,b = 3.
(2) 设 A x
1
,y
1
,B x
2
,y
2
,Q x
0
,y
0
,AP
⋅ BQ
=- AP
⋅ BQ
,AQ
⋅ BP
= AQ
⋅ BP
,
∴- AP
⋅ BQ
+ AQ
⋅ BP
= 0,即
AP
AQ
=
BP
BQ
,即
y
1
-0
y
1
-y
0
=
y
2
y
0
-y
2
,整理可得:y
0
=
2y
1
y
2
y
1
+y
2
,
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