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弦长问题在高考题及模拟题中经常出现,从理论上讲,利用弦长公式就能解决问题。但实际中,除个别简单题(本文从略)外,直接利用弦长公式会使问题变得非常繁琐。本文试图对此进行系统的总结,给出不同类型题目的解决策略。
一、两线段相等
类型Ⅰ:有相同端点的不共线线段
例1.(2005,孝感二模)
已知a=(x,0),b=(1,y),(a+ 2b)⊥(a- 2b)。
(1)求点P(x,y)的轨迹方程C。
(2)若直线L:y=kx+b(k≠0)与曲线C交与A、B两点,D(0,-1),且有|AD|=|BD|,试求m的取值范围。
类型Ⅱ:共线线段
例2.直线L与x轴不垂直,与抛物线y2=x+2交于A、B两点,与椭圆x2+2y2=2交于C、D两点,与x轴交于点M(x0,0),且|AC|=|BD|,求x0的取值范围。
策略分析:不妨设A(x1,y1)在B(x2,y2)下方,C(x2,y3)在D(x4,y4)下方,由于A、B、C、D共线,要使|AC|=|BD|,只需x3-x1=x2-x4,即x1+x2=x3+x4,结合韦达定理可得结果。
二、三线段相等
类型Ⅰ:正三角形
例3.(2003,北京春招)
已知动圆过定点P(1,0)且与定直线L:x=-1相切,点C在L上。
(1)求动圆圆心的轨迹M的方程。
(2)设过点P且斜率为- 3的直线与曲线M相交于A、B两点。
①问三角形ABC能否为正三角形?若能,求点C坐标;若不能,说明理由。
②问三角形ABC能否为钝角三角形?若能,求点C纵坐标的取值范围;若不能,说明理由。
策略分析:对于本题涉及的正三角形问题,其突出特点是,落在直线上的两个顶点实际是已知的。所以,只需设C(-1,y),根据|BC|=|AB|和|AC|=|AB|分别列方程求y值,判断两个y值是否相等。
例4.(2005,学海大联考六)
如图,在直角坐标系中,点A(-1,0)、B(1,0)、P(x,y),设AP、OP、BP与x轴正方向的夹角分别为α、β、γ,且α+β+γ=π。
(1)求点P的轨迹G的方程。
(2)设过点C(0,1)的直线L与轨迹G交于不同的两点M、N,问在x轴上是否存在一点E(x0,0)使△MNE为正三角形?
策略分析:设直线L:y=kx-1,由韦达定理求出MN中点F的坐标,再根据kEF·kMN=-1,求出E( ,0);利用弦长公式求出|MN|,再根据 |MN|=|EF|解得k=±3。注意代入三角形验证。
类型Ⅱ:共线线段
例5.(2004,广东高考卷)
设直线λ与椭圆 + =1相交于A、B两点,λ又与双曲线x2-y2=1相交于C、D两点,C、D三等分线段AB,求λ的方程。
策略分析:实质是|AC|=|CD|=|DB|。当λ与x轴垂直时,λ方程为x=± ;当λ与x轴不垂直时,先由|AC|=|DB|,利用例3的方法,求得k=0或b=0,然后分类讨论求出A、B、C、D的横坐标,利用AB=3CD,得出b=± 和k=± 。
三、线段成比例
类型Ⅰ:两个已知点一个未知点
例6.(2005,黄冈调研)
已知椭圆C的方程为 + =1(a>b>0),双曲线 - =1的两条渐近线为L1、L2,过椭圆的右焦点F做直线L,使L⊥L1,又L与L2交于点P。设L与椭圆的两个交点由上到下依次为A、B。
(1)当L1与L2夹角为60°,双曲线的焦距为4时,求椭圆C的方程。
(2)当FA=λ.AP时,求λ的最大值。
策略分析:F点和P点的坐标皆可求,根据定比分点公式,求出A点坐标,代入椭圆方程即可。
类型Ⅱ:一个已知点两个未知点
例7.(2004,全国卷)
设双曲线C: -y2=1(a>0)与直线L:x+y=1相交于两个不同的点A、B。
(1)求双曲线的离心率e的取值范围。
(2)设直线L与y轴的交点为P,且PA= PB,求a值。
策略分析:设A(x1,y1)、B(x2,y2)、P(0,1),由PA= PB知x1= x2,于是,x1+x2= x2,x1x2= x22,前式平方除以后式消掉x2,结合韦达定理即可求出a。
一、两线段相等
类型Ⅰ:有相同端点的不共线线段
例1.(2005,孝感二模)
已知a=(x,0),b=(1,y),(a+ 2b)⊥(a- 2b)。
(1)求点P(x,y)的轨迹方程C。
(2)若直线L:y=kx+b(k≠0)与曲线C交与A、B两点,D(0,-1),且有|AD|=|BD|,试求m的取值范围。
类型Ⅱ:共线线段
例2.直线L与x轴不垂直,与抛物线y2=x+2交于A、B两点,与椭圆x2+2y2=2交于C、D两点,与x轴交于点M(x0,0),且|AC|=|BD|,求x0的取值范围。
策略分析:不妨设A(x1,y1)在B(x2,y2)下方,C(x2,y3)在D(x4,y4)下方,由于A、B、C、D共线,要使|AC|=|BD|,只需x3-x1=x2-x4,即x1+x2=x3+x4,结合韦达定理可得结果。
二、三线段相等
类型Ⅰ:正三角形
例3.(2003,北京春招)
已知动圆过定点P(1,0)且与定直线L:x=-1相切,点C在L上。
(1)求动圆圆心的轨迹M的方程。
(2)设过点P且斜率为- 3的直线与曲线M相交于A、B两点。
①问三角形ABC能否为正三角形?若能,求点C坐标;若不能,说明理由。
②问三角形ABC能否为钝角三角形?若能,求点C纵坐标的取值范围;若不能,说明理由。
策略分析:对于本题涉及的正三角形问题,其突出特点是,落在直线上的两个顶点实际是已知的。所以,只需设C(-1,y),根据|BC|=|AB|和|AC|=|AB|分别列方程求y值,判断两个y值是否相等。
例4.(2005,学海大联考六)
如图,在直角坐标系中,点A(-1,0)、B(1,0)、P(x,y),设AP、OP、BP与x轴正方向的夹角分别为α、β、γ,且α+β+γ=π。
(1)求点P的轨迹G的方程。
(2)设过点C(0,1)的直线L与轨迹G交于不同的两点M、N,问在x轴上是否存在一点E(x0,0)使△MNE为正三角形?
策略分析:设直线L:y=kx-1,由韦达定理求出MN中点F的坐标,再根据kEF·kMN=-1,求出E( ,0);利用弦长公式求出|MN|,再根据 |MN|=|EF|解得k=±3。注意代入三角形验证。
类型Ⅱ:共线线段
例5.(2004,广东高考卷)
设直线λ与椭圆 + =1相交于A、B两点,λ又与双曲线x2-y2=1相交于C、D两点,C、D三等分线段AB,求λ的方程。
策略分析:实质是|AC|=|CD|=|DB|。当λ与x轴垂直时,λ方程为x=± ;当λ与x轴不垂直时,先由|AC|=|DB|,利用例3的方法,求得k=0或b=0,然后分类讨论求出A、B、C、D的横坐标,利用AB=3CD,得出b=± 和k=± 。
三、线段成比例
类型Ⅰ:两个已知点一个未知点
例6.(2005,黄冈调研)
已知椭圆C的方程为 + =1(a>b>0),双曲线 - =1的两条渐近线为L1、L2,过椭圆的右焦点F做直线L,使L⊥L1,又L与L2交于点P。设L与椭圆的两个交点由上到下依次为A、B。
(1)当L1与L2夹角为60°,双曲线的焦距为4时,求椭圆C的方程。
(2)当FA=λ.AP时,求λ的最大值。
策略分析:F点和P点的坐标皆可求,根据定比分点公式,求出A点坐标,代入椭圆方程即可。
类型Ⅱ:一个已知点两个未知点
例7.(2004,全国卷)
设双曲线C: -y2=1(a>0)与直线L:x+y=1相交于两个不同的点A、B。
(1)求双曲线的离心率e的取值范围。
(2)设直线L与y轴的交点为P,且PA= PB,求a值。
策略分析:设A(x1,y1)、B(x2,y2)、P(0,1),由PA= PB知x1= x2,于是,x1+x2= x2,x1x2= x22,前式平方除以后式消掉x2,结合韦达定理即可求出a。