点差法

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。

引例:如点(P(4,2))是直线(l)被椭圆:(cfrac{x^2}{36}+cfrac{y^2}{9}=1)所截得的线段的中点,求直线(l)的方程。

分析:设直线与椭圆相交于两点(A(x_1,y_1))(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)

((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

例1已知椭圆(cfrac{x^2}{2}+y^2=1),求斜率为(2)的平行弦的中点的轨迹方程。

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)。

例7已知点(M(-1,1))和抛物线(C:y^2=4x),过(C)的焦点且斜率为(k)的直线与(C)交于(A)(B)两点,若(angle AMB=90^{circ}),则(k)=_________。

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)(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))

(MH)为直角梯形的中位线,则(MH//x)轴,

(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)

(t_1+t_2=cfrac{1}{k})(t_1cdot t_2=-cfrac{1}{4})

(overrightarrow{MA}=(4t_1^2+1,4t_1-1))(overrightarrow{MB}=(4t_2^2+1,4t_2-1))(angle AMB=90^{circ})

(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)

例7【2019届宝鸡文数质检Ⅲ第7题】双曲线(cfrac{x^2}{36}-cfrac{y^2}{9}=1)的一条弦被点(P(4,2))平分,那么这条弦所在的直线方程为【】

$A.x-y-2=0$ $B.2x+y-10=0$ $C.x-2y=0$ $D.x+2y-8=0$

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).

例16【2019高三理科数学启动卷,2019陕西省二检试卷第16题】已知等腰( riangle ABC)的底边端点(A)(B)在双曲线(cfrac{x^2}{6}-cfrac{y^2}{3}=1)的右支上,顶点(C)(x)轴上,且(AB)不垂直于(x)轴,则顶点(C)的横坐标(t)的取值范围是__________。

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)

(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})

(tin (cfrac{3sqrt{6}}{2},+infty))

例1?【2019高三理科数学模拟训练题】已知斜率为(2)的直线(l)过抛物线(C:y^2=2px(p>0))的焦点(F),且与抛物线交于(A)(B)两点,若线段(AB)的中点(M)的纵坐标为(1),则(p)等于【】

$A.1$ $B.sqrt{2}$ $C.2$ $D.4$

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)

例10【2019届高三理科数学三轮模拟试题】已知椭圆(C:x^2+cfrac{y^2}{b^2}=1(b>0,b eq 1))与直线(l:y=x+m)交于(M)(N)两点,(B)为上顶点,若(|BM|=|BN|),则(b)的取值范围为______________。

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,

(|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,

(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

反例如点(P(4,2))是直线(l)被椭圆:(cfrac{x^2}{4}+y^2=1)所截得的线段的中点,求直线(l)的方程。

分析:设直线与椭圆相交于两点(A(x_1,y_1))(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)

((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

已知椭圆(E:cfrac{x^2}{a^2}+cfrac{y^2}{b^2}=1(a>b>0))的右焦点为(F(3,0)),过点(F)的直线交(E)(A)(B)两点,若(AB)的中点坐标为(M(1,-1)),则(E)的方程为_____________。

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).

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