一道关于求弦长习题的思考

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  摘 要:弦长问题是高中数学教学的重点内容,如何引导学生用正确的方法求直线与曲线相交的弦长,方法不唯一,但是每种方法适用的条件把握不清,往往是学生走入解题误区的重要原因之一。本文就一道关于直线参数方程与圆的弦长习题解答过程进行分析。
  关键词:弦长;参数方程;条件
  直线与曲线(圆、圆锥曲线等)相交于两点,则两点之间的距离称为弦长。在高中教学中,弦长问题是重点,也是高考的热点之一,但求弦长的方法根据已知条件的不同而选择不同。如何把握条件、发展条件和分析条件是解决这类问题的关键,现以教学中一道关于直线参数方程与圆的弦长习题解答,用两种方法进行求解,但是答案却出现两个。
  问题:已知直线x=2-12t
  y=-1 12t(t为参数)与圆x2 y2=4相交于A、B两点,求弦AB的长。
  分析:该问题是一个常规的问题,难度不是很大,而解答的方法很多,下面分别用两种方法进行求解。
  解法一:把x=2-12t
  y=-1 12t代入x2 y2=4得
  (2-12t)2 (-1 12t)2=4
  整理得t2-6t2 2=0 (1)
  设方程(1)的两根为t1、t2,得
  t1 t2=--61=6,t1t2=21=2
  所以|AB|=|t1-t2|=27
  所以弦AB的长为27。
  解法二:如图,直线x=2-12t
  y=-1 12t化为普通方程得x y-1=0,与圆x2 y2=4相交于A、B两点,圆x2 y2=4圆心坐标为(0,0),半径r=2,过圆心O(0,0)作直线OP⊥AB于P点,连接AO,则
  OP=|0×1 0×1-1|12 12=22
  所以在Rt△OAP中,由勾股定理得
  AP=72=142
  由垂径定理得AB=2AP
  所以弦AB的长为14。
  以上两种解法得到不同的答案,从思路上看,两种解法几乎没问题,那么哪一种解法是正确的呢,解法二属于常规解法,答案是肯定正确的,解法一的思路是应用人教版选修44第二讲第三节“直线的参数方程”。探究(1)的结论,是哪一步出现了错误导致结果错误呢?下面具体对直线参数方程与曲线参数方程求弦长问题进行分析。
  已知直线l的倾斜角为α,过定点(x0,y0),则直线的参数方程为x=x0 tcosα
  y=y0 tsinα(α为参数),直线l与曲线f(x,y)=0相交于M1,M2两点,对应的参数分别为t1,t2,则曲线的弦M1M2的长是多少?
  分析:根据上述问题的已知条件,可设M1,M2两点的坐标分别为(x0 t1cosα,y0 t1sinα)、(x0 t2cosα,y0 t2sinα),则根据两点间的距离公式可得
  M1M2=(x0 t1cosα)-(x0 t2cosα)2 (y0 t1sinα)-(y0 t2sinα)2
  =cos2α(t1-t2)2 sin2α(t1-t2)2
  =(t1-t2)2(cos2α sin2α)
  因为cos2α sin2α=1,(t1-t2)2=|t1-t2|
  所以M1M2=|t1-t2|
  现在再观察解法一的过程不难看出,错误点在默认为只要是直线x=x0 at
  y=y0 bt(t为参数)与曲线f(x,y)=0相交于M1,M2两点,对应的参数分别为t1,t2,则曲线的弦M1M2=|t1-t2|,这种观点显然是错误的,因為仿照分析的推导过程容易得M1M2=(t1-t2)2(a2 b2)=|t1-t2|a2 b2。
  在已知习题中,a=-12,b=12,|t1-t2|由解法一得27,所以AB=27×-122 122=27×22=14。
  根据上述的分析过程,对直线x=x0 at
  y=y0 bt(t为参数)与曲线f(x,y)=0相交于M1,M2两点,对应的参数分别为t1,t2,则曲线的弦M1M2=(t1-t2)2(a2 b2)=|t1-t2|a2 b2,经过验证该结论是正确的,因此解法一的错误之处即是默认为a2 b2=1,而实际a2 b2=-122 122=12≠1。
  以上是就一个习题的错误解法进行分析,在解决数学问题时,首先要把握好条件,在方法的选择上严格把握满足条件的方法,不能只从形式上定方法,习题中的解法一就是因为只从形式上定方法从而导致错误。数学问题的解决,主要由已知条件入手,由已知条件确定方法,这样就会减少结果错误的几率,由此,在数学教学中,重要的不是给学生讲解多少习题,而是帮助学生如何分析条件和发展条件,确定解决问题的方法,从而达到做一个题会一类题的效果。
  作者简介:
  李加发,贵州省黔西南布依族苗族自治州,贵州省安龙县第四中学。
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