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焦點弦
來源:互聯網

焦點弦也叫焦弦(focal chord),是一條線段,指圓錐曲線的過焦點的任一條弦。拋物線、橢圓、雙曲線屬于圓錐曲線的一種,它們的均有焦點弦。焦點弦是由兩個在同一直線上的焦半徑構成。其長度計算因曲線類型而異:橢圓需區分同支焦點弦,雙曲線涉及同支或兩支情況,拋物線與焦準距直接關聯。

其中,通過圓錐曲線的焦點,且與準線平行的弦是正焦弦(latus rectum),它垂直于通過焦點的軸。焦點弦的通徑(垂直于對稱軸的焦點弦)是同類弦中最短的,端點處切線交于準線。以焦點弦為直徑的圓與準線的位置關系因曲線類別不同呈現相離、相交或相切特性。

基本概念

定義

連接圓錐曲線上任意兩點得到的線段叫做圓錐曲線的弦。若這條弦經過焦點,則稱為焦點弦。

焦點弦是指橢圓或者雙曲線或者拋物線上經過一個焦點的弦.

焦點弦簡述

數學中的弦是指同一條圓錐曲線或同一個圓上兩點連接而成的線段

焦點弦特點

焦點弦是由兩個在同一條直線上的焦半徑構成的。焦半徑是由一個焦點引出的射線與橢圓或雙曲線相交形成的。而由于橢圓或雙曲線上的點與焦點之間的距離(即焦半徑長)可以用橢圓或雙曲線離心率和該點到對應的準線之間的距離來表示(圓錐曲線第二定義),因此,焦半徑長可以用該點的橫坐標來表示,與縱坐標無關。這是一個很好的性質。焦點弦長就是這兩個焦半徑長之和。此外,由于焦點弦經過焦點,其方程式可以由其斜率唯一確定,很多問題可以轉化為對其斜率范圍或取值的討論。(注意斜率不存在的情況!即垂直于x軸!)

研究對象

圓錐曲線方程

橢圓焦點弦公式

2ab2/(b2+c2sin2α) (α為焦點弦的傾斜角)

2a±e(x1+x2)(焦點在x軸)

2a±e(y1+y2)(焦點在y軸)

雙曲線焦點弦公式

2ab2/lb2-c2sin2αl

拋物線焦點弦公式

x1+x2+p

拋物線焦點弦的其他結論

①弦長公式

②若直線AB的傾斜角為α,則|AB|=2p/sin2α

③y2=2px或y2=-2px時,x1x2=p2/4,y1y2=-p2

x2=2py或x2=-2py時,y1y2=p2/4,x1x2=-p2

性質應用

焦點弦有很多良好的性質,高考中或多或少會出現使用,甚至直接要求證明這些性質的題目。在此列舉了幾個常見的性質以及它們的證明過程。證明中皆以焦點在x軸上的圓錐曲線為例。

研究對象

圓錐曲線方程。圓錐曲線焦點弦的性質及其應用性質。

⑴過橢圓焦點F的直線交橢圓于A、B兩點,記q=a^2/c-c,是焦準距, e是離心率。

⑵過雙曲線(a>0,b>0)焦點F的直線交雙曲線于A、B兩點,記p=c-a^2/c,是焦準距。若A、B兩點在雙曲線的同一支上,此時稱AB為雙曲線的同支焦點弦。若A、B兩點分別位于雙曲線的左支和右支上,此時稱AB為雙曲線的異支焦點弦。(拋物線的類似性質,本文從略)

證明舉例

(只證性質⑴,性質⑵的證明從略)由對稱性,不妨取F為右焦點。設右準線l與x軸交于點D,過A作AG⊥l于G,過B作BH⊥l于點H,則AG∥FD∥BH;且由橢圓的第二定義知,|AG|= ,|BH|=。令|FE|=m,|ED|=n,則m+n=|FD|=。故由, = 可得:。∴。因此,m+n= ?。∴ ,從而 就是焦準距。證畢。

[說明]①在上述證明過程中出現的“m = n”, “即|FE|=|ED|”,亦即 E為線段FD的中點(如圖1)這是橢圓焦點弦的另一條性質。雙曲線拋物線也有這一性質。

②如圖1,若設∠AFD= ,并分別過A、F作FD和BH的垂線,則可證:從而得焦點弦長公式:|AB|= = 就是焦準距。在雙曲線與拋物線中也有這樣的公式,如:在雙曲線 (a>0,b>0)中,若焦點弦AB的傾斜角為,則, ;從而焦點弦長 為焦準距,是離心率,且。③如圖1,若分別連接AD和BD,利用說明①的結論,則易證:∠ADF=∠BDF,即x軸平分∠ADB。在雙曲線與拋物線中也有這樣的結論。

例1 (07年全國(Ⅰ)高考(理)題)已知橢圓 的左、右焦點分別為一級方程式錦標賽、F2,過F1的直線交橢圓于B、D兩點,過F2的直線交橢圓于A、C兩點,且AC⊥BD,垂足為P。

(Ⅰ)設P點的坐標為(x0,y0),證明: ;

(Ⅱ)求四邊形ABCD的面積的最小值。

分析:(Ⅰ)略。

(Ⅱ)由(Ⅰ)知,AC⊥BD的垂足P在橢圓的內部,因此,(畫草圖)四邊形ABCD的面積S=。

設直線AC的傾斜角為,則由本文性質的說明②可得:|AC|= ;而AC⊥BD,∴|BD|=。從而S=。

由均值不等式可得: ≤。

∴S≥ ,當且僅當 =45°或135°時取等號——問題獲解。

例子

雙曲線

同支焦點弦的弦長的最小值;

⑵ 求雙曲線 異支焦點弦的弦長的最小值。

解 ⑴由對稱性(如圖2),不妨設同支焦點弦

AB經過右焦點F(c, 0) ,且設 = n,

則由本文性質⑴知: ,即。

而mn≤ , ∴ ≥。

因此 ≥ ,即 ≥。

故|AB|=m+n≥ ,其中當且僅當m=n時取等號;即焦點弦AB垂直于實軸時,同支焦點弦的弦長取到最小值。

⑵設異支焦點弦CD的傾斜角為,則由本文性質的說明②可得:。易知當且僅當 時取|CD|最小值2a。

(注:運用“數形結合”思想,也易從圖2中推出|CD|≥2a)。

如果拋物線兩條切線的交點在準線上,則切點弦必為焦點弦。

本文即在于用圓錐曲線的極線理論對這一性質作進一步的推廣,得出一些更一般的結論(即本文末的定理5和定理6)。

什么是二次曲線的極線

設S:Ax+2Bxy+Cy+2Dx+2Ey+F=0為常態二次曲線,P(x0,y0)為不在S上的點(有心二次曲線的中心也除外,下同),我們把直線P:Ax0x+B(x0y+y0x)+Cy0y+D(x+x0)+E(y+y0)+F=0叫做點P關于S的極線,點P則叫做直線P關于S的極點。

在這樣的定義下,有心圓錐曲線的中心沒有極線,并且

定理1 (配極理論的原則). 若點P的極線通過點Q,則點Q的極線也通過點P.

定理2 通過一點P而且與一個常態二次曲線相切的直線它的切點在點P的極線上。

定理3 橢圓、雙曲線拋物線焦點的極線是相應的準線。

定理4 如果橢圓、雙曲線、拋物線的兩條切線的交點在準線上,則過切點的直線必過焦點。

這是因為,焦點的極線是相應準線(定理3),又交點在準線上,準線上的點的極線就必過焦點(定理1),而定理2又告訴我們這條過焦點的極線恰好經過兩切點。

由于在射影平面內,圓的焦點是圓心,準線是無窮遠直線,故定理4又可推廣為:

定理5 如果常態圓錐曲線的兩條切線的交點在準線上,則過切點的直線必過焦點。

(特別:如果圓的兩條切線平行,則切點弦是圓的直徑)。

不言而喻,更一般還有

定理6 (1)點E是常態二次曲線內部一點,但不是有心二次曲線的中心,如果該曲線的兩條切線的交點在點E的極線上,則過切點的直線必過點E.

(2)如果有心二次曲線的兩條切線平行,則過切點的直線必過中心點。

參考資料 >

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