善用几何性质求轨迹方程

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  在求轨迹方程时,对明显蕴涵几何条件,如中垂线、直角、圆内弦中点、中线、中位线、角平分线、两圆内切或外切等的一类问题,在用代数法(直接法、定义法、代入法、参数法、交轨法等)求解之前,应先利用图形本身具有的几何条件,借助平面几何中的有关定理和性质(如中垂线定理、勾股定理、垂径定理、中线定理、中位线性质、角平分线性质、连心线性质等),尝试看看能否得出有益的数量关系或结论.这是使解法巧妙优美的一种有效方法.
  下面以普通高中课程标准实验教科书《数学》(人教版)选修第二章《圆锥曲线与方程》中P37练习第3题加以说明.
  一、课本题目
  如图,已知点C的坐标是(2,2),过点C的直线CA与x轴交于点A,过点C且与直线CA垂直的直线CB与y轴交于点B.设点M是线段AB的中点,求点M的轨迹方程.
  二、教参答案
  提供给教师的参考书中,答案如下:
  【答案】设点A、M的坐标分别为(t,0),(x,y).
  (1)当t≠2时,直线CA斜率kCA==,所以kCB=-=.
  由直线的点斜式方程,得直线CB的方程为y-2=(x-2).
  令x=0,得y=4-t,即点B的坐标为(0,4-t) .
  由于点M是线段AB的中点,由中点公式得x=,y=.
  从x=中解得t=2x,代入y=,得y=,即x+y-2=0 …… ①
  (2)当t=2时,可得点A、B的坐标分别为(2,0),(0,2),此时点M的坐标为(1,1),它仍然适合方程①.
  由(1)(2)可知,方程①就是点M的轨迹方程,它表示一条直线.
  【点评】用参数法求轨迹方程思路自然流畅,但运算过程稍嫌繁长.
  能否结合初中平面几何知识,缩短解题过程?接着继续探究,原来另有洞天!
  三、巧思妙解
  【巧思】 注意到在一般情况下,由“直角三角形斜边上的中线等于斜边的一半”这一性质可知:|MC|=|MO|;或者由∠BOA+∠BCA=180°得:四边形OACB四点共圆,亦可得出同样结论.
  利用这一结论,下面求出点M的轨迹方程就不难了.
  【妙解】设点M的坐标为(x,y),由前面分析可得
  |MC|=|MO|,由两点距离公式可得:=,化简得x+y-2=0.
  若直线CA或直线CB中有一条经过原点O,这时点M的坐标分别为(0,2)、(2,0),它仍然适合方程.
  综上可知,方程x+y-2=0就是点M的轨迹方程,它表示一条直线.
  当然本题还可以用相关点法求,也不失为一种好方法.
  【点评】根据几何条件产生相关的有利结论,缩减过程,多思少算;继承发扬,捷足先登.
  四、应用实践
  求轨迹方程大概采用的方法有:直接法、定义法、代入法(即相关点法)、参数法、交轨法.也还有资料提到待定系数法、点差法等.一般地,题设中带有一些几何条件的题目,首先要思考该题是否具有相关的几何性质.若有,则挖出来,用好它,再进一步用恰当方法求轨迹方程.不管用哪种方法,采用时都应遵循解答简捷的原则.
  【例一】 (2011年广东理19)设圆C与两圆(x+)2+y2=4,(x-)2+y2=4中的一个内切,另一个外切.
  (1)求C的圆心轨迹L的方程;(2)略.
  【分析】利用两圆内切与外切所具有的几何性质是解好本题的关键.如图,设动圆半径为R,当动圆左外切右内切时,有|CA|=R+2,|CB|=R-2,得CA-CB=4;当动圆左内切右外切时|CA|=R-2,|CB|=R+2,得|CB|-|CA|=4.综合可得||CA|-|CB||=4.
  【解析】由双曲线的定义可知:圆心C的轨迹是以点A、B为焦点的双曲线.
  设该双曲线方程为-=1(a>0,b>0),则2a=4,c=,故b==1.
  故所求点C的轨迹方程为-y2=1.
  【点评】利用两圆内切与外切所具有的几何性质推出圆心动点满足,即满足双曲线的定义,这是解好本题的关键.
  【练习一】过圆M:(x-2)2+(y-2)2=4外一点P向此圆作两条切线,若这两切线互相垂直,试求动点P的轨迹方程.
  【提示】如图,设切点为A、B,连结MA、MB、PM,先思考图形中四边形AMBP所具有的几何性质,再动手来求点P的轨迹方程.
  【答案】设动点P(x,y),依题意可知:四边形AMBP是正方形,从而|PM| = |MA| = 2,即=2,化简得:(x-2)2+(y-2)2=8,即为所求的轨迹方程.
  【点评】利用连结过切点的半径垂直于切线及切线长相等这两个几何性质,再配合已知条件说明四边形AMBP是正方形,从而求出轨迹方程.
  【例二】已知A(2,0)是圆内x2+y2=16的一个定点,以A为直角顶点作直角三角形ABC,且点B、C在圆上,试求BC中点D的轨迹方程.
  【分析】连结OC,OD,AD.由于D为BC的中点,根据“垂径定理”得OD⊥BC;又由于“直角三角形斜边上的中线等于斜边的一半”这一性质可知:DA=DB=DC=BC .
  【解析】设D(x,y),由分析可知:三角形ODC为直角三角形,故DO2+DA2=OC2,又由DA=DC代入化简,即求出点D的轨迹方程为:(x-1)2+y2=7.
  【点评】不盲目引入参数来设点B、C的坐标,而是先分析研究本题蕴涵的几何性质,从而排除动点对本题的干扰,解好本题.
  【练习二】已知F1、F2为椭圆的两个焦点,Q是椭圆上任意一点,从任一焦点作∠F1QF2的外角平分线的垂线,垂足为P, 则点P 的轨迹是()
  A. 圆B. 椭圆C. 双曲线D. 抛物线
  【提示】注意角平分线性质、三角形中位线性质的结合.
  【答案】本题分两种情况,在左图中,由于∠AQP=∠F2QP,且F2A⊥QP,故有AQ=F2Q,AP=F2P.连接OP,则OP ∥ AF1=a(a为该椭圆的实半轴长);同理,在右图中亦同样可得出此结论.综合可得:动点P到原点O的距离为定长a,故其轨迹为圆,选A .
  五、感悟升华
  平面解析几何本身(或本质)就是数与形的完美结合,故求解时万万不能脱离图形而一味地进行繁难的计算.针对近年广东高考试题比较重视几何味的特点,在求轨迹方程时,请注意以下几点:
  ①先想后算,先几何,后代数,尽可能多思少算;
  ②倚重直觉,重视平面几何性质的应用;
  ③心中有数,不如心中有图,心中有图,不如识图懂图;
  ④利用数研究形,利用形简化数的运算,寻找捷径.
  故在求轨迹方程时,若想解法巧妙优美,不妨先从几何条件入手,寻找捷径,或许妙解就在眼前.所以,针对这一省时高效的解题方法,我们何乐而不为呢?
  (作者单位:江门市新会华侨中学)
  责任编校徐国坚
  
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