前言
点差法定义
“点差法”,即差分法,适用于解决直线与圆锥曲线相交的弦的中点问题,回避了使用运算量较大的韦达定理,从而转化为与直线斜率有关的问题。它的本质是两平行方程的变形。
分析:设直线与椭圆相交于两点(A(x_1,y_1))和(B(x_2,y_2)),
由于点(P(4,2))是线段(AB)的中点,故有(x_1+x_2=8),(y_1+y_2=4);
又由于点(A、B)都在椭圆上,
则有(x_1^2+4y_1^2=36①),(x_2^2+4y_2^2=36②),
两式作差得到,((x_1^2-x_2^2)+4(y_1^2-y_2^2)=0),
即((x_1+x_2)(x_1-x_2)+4(y_1+y_2)(y_1-y_2)=0),
也就是(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=cfrac{-(x_1+x_2)}{4(y_1+y_2)}=-cfrac{1}{2}),
即直线(l)的斜率(k=k_{AB}=-cfrac{1}{2}),
由点斜式可得直线(l)的方程为(y-2=-cfrac{1}{2}(x-4)),整理得到(x+2y-8=0)。
此解法简捷漂亮,因其设点求差,故名点差法。
反思总结:在圆锥曲线中涉及中点弦问题时,往往发挥很大作用。自然,上例中的椭圆也可以替换为双曲线,抛物线,圆等曲线。
方法局限性
1、但点差法只可用于解决中心在原点的圆锥曲线,再利用题中其他条件寻找(x,y,k,m)(直线截距)间的关系,允许保留一个未知数,多用于解决过定点问题。
2、对于存在性问题(如问到"是否存在一定点过于直线AB?”)要慎用点差法,因为当题中未明说直线与圆锥曲线的相交情况时,若无交点,(x_1,x_2,y_1,y_2)就没有了意义,变形式也就不成立了。故即使利用点差法解出定点(当题中相交情况不确定时),也要检验。
检验方法一:把已知直线与圆锥曲线联立,再算判别式是否≥0,若符合,则存在;
检验方法二:把所得弦的中点代入圆锥曲线本身的约束条件中去看是否满足,如在椭圆中弦的中点应满足(cfrac{x^2}{a^2}+cfrac{y^2}{b^2}<1);双曲线中满足(cfrac{x^2}{a^2}+cfrac{y^2}{b^2}>1);若符合,则存在。
典例剖析
解:设弦的两个端点分别为(P(x_1,y_1),Q(x_2,y_2)),(PQ)的中点为(M(x,y)),
则有(cfrac{x_1^2}{2}+y_1^2=1)①,(cfrac{x_2^2}{2}+y_2^2=1)②,
①-②得到,(cfrac{x_1^2-x_2^2}{2}+y_1^2-y_2^2=0)
则有(cfrac{x_1-x_2}{2}+cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}(y_1+y_2)=0)
又由于(x_1+x_2=2x),(y_1+y_2=2y),(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=k=2),
代入上式,得到(x+4y=0),
又由于弦中点在椭圆内,故所求的弦中点的轨迹方程为(x+4y=0)(在已知椭圆内)。
分析:做出如下示意图,连结(MH),(H)为焦点弦(AB)的中点,
由于( riangle AMB)为直角三角形,(H)为(AB)的中点,则(MH=cfrac{1}{2}AB),
又由于(AB=AF+BF=AP+BQ),则(MH=cfrac{1}{2}AB=cfrac{1}{2}(AP+BQ)),
故(MH)为直角梯形的中位线,则(MH//x)轴,
设(A(x_1,y_1)),(B(x_2,y_2)),则有(y_1^2=4x_1) ①,(y_2^2=4x_2) ②,
①-②得到,(y_1^2-y_2^2=4(x_1-x_2)),即((y_1+y_2)(y_1-y_2)=4(x_1-x_2)),
则有(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=cfrac{4}{y_1+y_2}),即(k=cfrac{4}{y_1+y_2}),
又由于(MH//x)轴,(M(-1,1)),则(H)点的纵坐标为1,即(cfrac{y_1+y_2}{2}=1),则(y_1+y_2=2),代入上式,
得到(k=cfrac{4}{y_1+y_2}=2).
法2:向量法,设直线(AB:y=k(x-1)),由于点(A,B)都在抛物线上,故设(A(4t_1^2,4t_1)),(B(4t_2^2,4t_2)),
联立直线和抛物线,得到(left{egin{array}{l}{y=k(x-1)}\{y^2=4x}end{array} ight.),消(x)得到,
(y^2-cfrac{4}{k}y-4=0),则由韦达定理可知,(4t_1+4t_2=cfrac{4}{k}),(4t_1cdot 4t_2=-4),
即(t_1+t_2=cfrac{1}{k}),(t_1cdot t_2=-cfrac{1}{4}),
又(overrightarrow{MA}=(4t_1^2+1,4t_1-1)),(overrightarrow{MB}=(4t_2^2+1,4t_2-1)),(angle AMB=90^{circ}),
则(overrightarrow{MA}cdot overrightarrow{MB}=0),即((4t_1^2+1)(4t_2^2+1)+(4t_1-1)(4t_2-1)=0),
打开整理得到,(16(t_1t_2)^2+4(t_1^2+t_2^2)+1+16t_1t_2-4(t_1+t_2)+1=0),
代入整理得到,(cfrac{4}{k^2}-cfrac{4}{k}+1=0),即((cfrac{2}{k}-1)^2=0),解得(k=2)。
分析:使用点差法求解,设弦的两个端点(A(x_1,y_1)),(B(x_2,y_2)),则由于两个点都在双曲线上,
故满足(cfrac{x_1^2}{36}-cfrac{y_1^2}{9}=1)①,且(cfrac{x_2^2}{36}-cfrac{y_2^2}{9}=1)②,
两式做差得到,(cfrac{x_1^2-x_2^2}{36}-cfrac{y_1^2-y_2^2}{9}=0),变形得到(cfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}cdot cfrac{y_2+y_1}{x_2+x_1}=cfrac{1}{4})
又由于(cfrac{y_1+y_2}{2}=2),(cfrac{x_1+x_2}{2}=4),代入上式得到(kcdot cfrac{2}{8}=cfrac{1}{4}),故(k=cfrac{1}{2}),
由于弦过点(P(4,2)),且斜率为(k=cfrac{1}{2}),求得直线为(x-2y=0),故选(C).
分析:设(A(x_1,y_1)),(B(x_2,y_2)),弦(AB)的垂直平分线交(x)轴于点(C(t,0)),
(AB)的中点为(M(x_0,y_0)),则(x_0>sqrt{6}),
由题意有(cfrac{x_1^2}{6}-cfrac{y_1^2}{3}=1)①,(cfrac{x_2^2}{6}-cfrac{y_2^2}{3}=1)②,两式相减得到,
((x_1+x_2)(x_1-x_2)-2(y_1+y_2)(y_1-y_2)=0),于是有(x_0(x_1-x_2)-2y_0(y_1-y_2)=0),
即(k_{AB}=cfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}=cfrac{x_0}{2y_0}),又(k_{MC}=cfrac{y_0}{x_0-t}),由(k_{AB}cdot k_{MC}=-1)得到,
(cfrac{y_0}{x_0-t}cdot cfrac{x_0}{2y_0}=-1),即(x_0+2(x_0-t)=0),则(t=cfrac{3x_0}{2}>cfrac{3sqrt{6}}{2})。
故(tin (cfrac{3sqrt{6}}{2},+infty))。
分析:设点(A(x_1,y_1)),(B(x_2,y_2)),则有(y_1^2=2px_1)①,(y_2^2=2px_2)②,
两式作差得到,((y_1-y_2)(y_1+y_2)=2p(x_1-x_2)),即(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}cdot cfrac{y_1+y_2}{2}=p),
又线段(AB)的中点(M)的纵坐标为(1),即(cfrac{y_1+y_2}{2}=1),又(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=2),代入上式,
得到(p=2),故选(C)。
分析:设(M(x_1,y_1)),(N(x_2,y_2)),线段(MN)的中点(P(x_0,y_0)),
则由(b^2x_1^2+y_1^2=b^2)①,(b^2x_2^2+y_2^2=b^2)②,且有(cfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}=1),
由点差法,①-②得到,(b^2(x_1+x_2)=-(y_1+y_2)),即(x_0b^2=-y_0)③,
又(|BM|=|BN|),则(BPperp MN),(k_{BP}=-1=cfrac{y_0-b}{x_0})④,
由③④可得,(x_0=cfrac{b}{1-b^2}),(y_0=cfrac{b^3}{1-b^2}),由于点(P(cfrac{b}{1-b^2},cfrac{b^3}{1-b^2}))在椭圆内,
故(cfrac{b^2}{(1-b^2)^2}+cfrac{frac{b^6}{(1-b^2)^2}}{b^2}<1),
解得(3b^2<1),又(b>0),故(0<b<cfrac{sqrt{3}}{3})。
解后反思:①出现这种范围问题的求解策略,其一,联立求解(Delta >0);其二,点(P(x_0,y_0))在椭圆内,则(cfrac{x_0^2}{a^2}+cfrac{y_0^2}{b^2}<1),
②涉及到与圆锥曲线相交的直线的斜率、中点问题常常考虑使用点差法。
反例提升
分析:设直线与椭圆相交于两点(A(x_1,y_1))和(B(x_2,y_2)),
由于点(P(4,2))是线段(AB)的中点,故有(x_1+x_2=8),(y_1+y_2=4);
又由于点(A、B)都在椭圆上,
则有(x_1^2+4y_1^2=4①),(x_2^2+4y_2^2=4②),
两式作差得到,((x_1^2-x_2^2)+4(y_1^2-y_2^2)=0),
即((x_1+x_2)(x_1-x_2)+4(y_1+y_2)(y_1-y_2)=0),
也就是(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=cfrac{-(x_1+x_2)}{4(y_1+y_2)}=-cfrac{1}{2}),
即直线(l)的斜率(k=k_{AB}=-cfrac{1}{2}),
由点斜式可得直线(l)的方程为(y-2=-cfrac{1}{2}(x-4)),整理得到(x+2y-8=0)。
易知上例中,点(P(4,2))在椭圆:(cfrac{x^2}{4}+y^2=1)的外边,故点(P(4,2))绝不可能是弦(AB)的中点,
此时点差法显的有点尴尬无奈。可见,点差法只能解决真正的中点问题,对于需要判别的情况应先判别再应用。
对应练习
分析:设点(A(x_1,y_1)),(B(x_2,y_2)),则由两点都满足椭圆方程得到,
(cfrac{x_1^2}{a^2}+cfrac{y_1^2}{b^2}=1)①,(cfrac{x_2^2}{a^2}+cfrac{y_2^2}{b^2}=1)②,两式做差得到,
(cfrac{x_1^2-x_2^2}{a^2}+cfrac{y_1^2-y_2^2}{b^2}=0),即(cfrac{(x_1-x_2)(x_1+x_2)}{a^2}+cfrac{(y_1-y_2)(y_1+y_2)}{b^2}=0),
又由于(AB)的中点坐标为((1,-1)),即(cfrac{x_1+x_2}{2}=1),(cfrac{y_1+y_2}{2}=-1),代入上式,
整理得到,(k=cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=cfrac{b^2}{a^2}),又(k=k_{FM}=cfrac{-1-0}{1-3}=cfrac{1}{2}),
则令(b^2=k),(a^2=2k),又(c^2=9),由(a^2-b^2=c^2=k=9),则(a^2=2k=18),(b^2=k=9)
故椭圆的方程为(cfrac{x^2}{18}+cfrac{y^2}{9}=1).