直线参数方程何时必须化为标准形式

前言

在求解直线与圆相交得到的弦的长度问题时,可以采用的思路很多:①利用几何方法,即利用弦心距、半弦长、半径组成的(Rt riangle)来求解决;②弦长公式,即(|AB|=sqrt{1+k^2}cdot |x_1-x_2|)来求解;③利用直线的参数方程的参数的几何意义来求解;

思路引申

当涉及到的是直线和圆时,此时思路①最简单快捷;但是从思路可移植的角度来思考[比如问题变化为直线和圆锥曲线相交得到的弦长问题],思路③应该是最值得掌握的思路,此时思路①已经不能用了,思路②的运算量往往比较大,容易出错;

但思路③有个问题,在使用直线的参数方程时,必须要检验其是参数方程的标准形式,否则结果往往会出错;在此有两个问题:其一,为什么使用直线的参数方程的几何意义求弦长问题简单?其二,为什么必须将直线的参数方程的非标准形式转化为标准形式?

问题解析

预备知识:

  • 借助一维数轴来理解(t)的几何意义

我们知道,一维数轴上的点和实数是一一对应的,如图所示,水平放置的数轴,其上的点(A)(O)(B)(C)(D)分别代表实数(-2)(0)(1)(2)(3);动点对应的实数标记为(t),那么(t=2)就对应点(C)(t=-2)就对应点(A)(t=0)就对应点(O)(t=1)就对应点(B),当变量(t)取遍所有的实数,那么动点就能代表数轴上所有的实数。这时候实数(t)就是数轴上的动点的一维坐标。

作用:此时若求线段的长度,则线段(AB=|t_A-t_B|=|-2-1|=3);线段(BD=)(|t_B-t_D|)(=|1-3|)(=2);

接下来,我们利用如下的参数方程[已经是标准形式]来求线段长或弦长;

在平面直角坐标系(xOy)中,直线(l)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=2+cfrac{sqrt{2}}{2}t}\{y=1+cfrac{sqrt{2}}{2}t}end{array} ight.)((t)为参数),

问题1:为什么使用直线的参数方程的几何意义求弦长问题简单?

(t_0=0)时,其对于点(P_0(2,1));当(t_1=1)时,其对于点(P_1(2+cfrac{sqrt{2}}{2},1+cfrac{sqrt{2}}{2}))

此时求线段(|P_0P_1|)的长度,可以用如下的两个思路来求解:

思路①:(|P_0P_1|=sqrt{(2+cfrac{sqrt{2}}{2}-2)^2+(1+cfrac{sqrt{2}}{2}-1)^2}=sqrt{(cfrac{sqrt{2}}{2})^2+(cfrac{sqrt{2}}{2})^2}=1)

思路②:(|P_0P_1|=|t_0-t_1|=|0-1|=1)

很显然,思路②的运算简单的多,只是好些同学不懂得为什么要这样计算?

很显然,思路①采用的是两个点的二维坐标来运算,而思路①是利用两个点的一维坐标来计算,如上图所示,点(P_0)类似于数轴中的原点,那么点(P_1)是数轴右方的第一个单位点,点(P_2)是数轴右方的第二个单位点,故(|P_0P_1|)的长应该是一个单位。故利用一维坐标肯定比二维坐标计算量要小。

问题2:为什么必须将直线的参数方程的非标准形式转化为标准形式?

预备知识:在平面直角坐标系(xoy)中,直线(l)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=2+t}\{y=1+2t}end{array} ight.)((t)为参数),

如上图所示,当(t_0=0)时,对应上图中的点(A(2,1)),当(t_1=1)时,对应上图中的点(B(3,3))

此时(|AB|=sqrt{(2-3)^2+(1-3)^2}=sqrt{5});其长度不是一个单位长,故其不是参数方程的标准形式,

在教学实践中,我们常用参数(t)前面的两个系数的平方和是否等于(1)来判断是否为标准形式;

如上,(1^2+2^2=5 eq 1),故上述的参数方程不是标准形式。

如果直线的参数方程不是标准形式,则其参数(t)的几何意义就不是动点到定点的有向线段的数量,类似于我们不用标准的米尺测量人的身高,则测量的身高数据一定是不准确的;故使用前必须保证其为标准形式;

那么,如何将参数方程的非标准形式转化为标准形式呢,请参照下述例题中的具体解法来体会。

  • 非标准形式化为标准形式的思路

(egin{cases}x=x_0+at=x_0+cfrac{a}{sqrt{a^2+b^2}}cdot sqrt{a^2+b^2}t \y=y_0+bt=y_0+cfrac{b}{sqrt{a^2+b^2}}cdot sqrt{a^2+b^2}tend{cases}(t为参数))

再令(sqrt{a^2+b^2}t=m),则得到(egin{cases}x=x_0+cos heta m\y=y_0+sin heta mend{cases}(m为参数)),这才是标准形式;

此时的参数(m)的几何意义才是定点到动点的有向线段的数量。

案例分析

例1【2019届凤中高三理科月考1第22题】在平面直角坐标系(xoy)中,直线(l)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=2+t}\{y=1+2t}end{array} ight.)((t)为参数),以原点为极点,以(x)轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,(odot C)的极坐标方程为( ho^2)(-4 hocdotsin heta-12=0)

(1)、 求(odot C)的参数方程;

分析:将( ho^2=x^2+y^2)(y= hocdot sin heta),代入(odot C)的极坐标方程( ho^2-4 ho sin heta-12=0)

得到(odot C)的直角坐标方程为(x^2+y^2-4y-12=0),即(x^2+(y-2)^2=16=4^2)

(odot C)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=4cos heta}\{y=2+4sin heta}end{array} ight.) (( heta)为参数,( hetain [0,2pi)))。

(2)、求直线(l)(odot C)截得的弦长。

【法1】几何方法,利用(RtDelta)求解,将直线(l)的参数方程消参,得到其普通方程为(2x-y-3=0)

则圆心((0,2))到直线的距离为(d=cfrac{|-2-3|}{sqrt{2^2+1^2}}=sqrt{5})

则直线(l)(odot C)截得的弦长为(2sqrt{r^2-d^2}=2sqrt{4^2-(sqrt{5})^2}=2sqrt{11})

【法2】弦长公式,设直线和圆的交点为(A(x_1,y_1),B(x_2,y_2))

联立得到方程组,(left{egin{array}{l}{2x-y-3=0}\{x^2+y^2-4y-12=0}end{array} ight.)

消去(y)得到,(x^2+(2x-3)^2-4(2x-3)-12=0),整理得到,(5x^2-20x+9=0)

由韦达定理得到,(x_1+x_2=4)(x_1x_2=cfrac{9}{5})

由弦长公式得到,(|AB|=sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|)(=sqrt{1+2^2}sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2})

(=sqrt{5}sqrt{16-cfrac{36}{5}}=2sqrt{11})

【法3】利用直线的参数方程求解,需要先判断参数方程是否为标准形式;若不是,还需要转化为标准形式。

直线(l)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=2+t}\{y=1+2t}end{array} ight.(t为参数))

(此时千万要注意,弦长(|AB| eq |t_1-t_2|),原因是这个参数方程不是标准形式的)

将其做如下的转化,

(left{egin{array}{l}{x=2+cfrac{1}{sqrt{5}}cdot sqrt{5}t}\{y=1+cfrac{2}{sqrt{5}}cdot sqrt{5}t}end{array} ight.(t为参数))

(sqrt{5}t=m),则其参数方程的标准形式为

(left{egin{array}{l}{x=2+cfrac{1}{sqrt{5}}cdot m}\{y=1+cfrac{2}{sqrt{5}}cdot m}end{array} ight.(m为参数))

[此时参数(m)的几何意义才是动点到定点的距离的数量,千万要注意,即弦长(|AB|=|m_1-m_2|)]

将直线(l)的参数方程的标准形式代入圆的普通方程得到,

((2+cfrac{1}{sqrt{5}}m)^2+(1+cfrac{2}{sqrt{5}}m)^2-4(1+cfrac{2}{sqrt{5}}m)-12=0)

整理为(m^2-11=0),令直线和圆的两个交点(A,B)分别对应的参数为(m_1,m_2)

(m_1+m_2=0)(m_1m_2=-11)

此时弦长(|AB|=|m_1-m_2|=sqrt{(m_1+m_2)^2-4m_1m_2}=sqrt{4 imes 11}=2sqrt{11})

解后反思:

  • 非标准形式化为标准形式的思路

(egin{cases}x=x_0+at=x_0+cfrac{a}{sqrt{a^2+b^2}}cdot sqrt{a^2+b^2}t \y=y_0+bt=y_0+cfrac{b}{sqrt{a^2+b^2}}cdot sqrt{a^2+b^2}tend{cases}(t为参数))

再令(sqrt{a^2+b^2}t=m),则得到(egin{cases}x=x_0+cos heta m\y=y_0+sin heta mend{cases}(m为参数)),这才是标准形式;

此时的参数(m)的几何意义才是定点到动点的有向线段的数量。

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