联立方程后,常只需交点的和与积,无须写出两个复杂根式。
联立方程先判断次数与交点个数
直线与曲线的交点必须同时满足两者方程。对非竖直直线 y = k x + m y=kx+m y = k x + m ,代入二次曲线后收集同类项,得到 A x 2 + B x + C = 0 Ax^2+Bx+C=0 A x 2 + B x + C = 0 。若 A ≠ 0 A\ne0 A = 0 ,可用判别式 Δ = B 2 − 4 A C \Delta=B^2-4AC Δ = B 2 − 4 A C 判断:Δ > 0 \Delta>0 Δ > 0 为两个不同实交点;Δ = 0 \Delta=0 Δ = 0 为一个重合交点;Δ < 0 \Delta<0 Δ < 0 没有实交点。
若 A = 0 A=0 A = 0 ,则需重判:B ≠ 0 B\ne0 B = 0 时只有一次方程给出的一个交点;B = 0 , C ≠ 0 B=0,C\ne0 B = 0 , C = 0 时无交点;三者均为零时整条直线包含在曲线上,这只能发生于退化二次曲线。一次式产生的单个交点不能当作相切。
两个不同交点的横坐标满足韦达关系 x 1 + x 2 = − B / A x_1+x_2=-B/A x 1 + x 2 = − B / A 、x 1 x 2 = C / A x_1x_2=C/A x 1 x 2 = C / A 。多数弦长、中点和面积问题只需要这两个量,不需要分别解出含根式的 x 1 , x 2 x_1,x_2 x 1 , x 2 。竖直直线应设 x = c x=c x = c 并解关于 y y y 的方程;使用参数方程也可统一处理方向。
弦长与三角形面积的计算
直线 y = k x + m y=kx+m y = k x + m 上两点 A ( x 1 , y 1 ) , B ( x 2 , y 2 ) A(x_1,y_1),B(x_2,y_2) A ( x 1 , y 1 ) , B ( x 2 , y 2 ) 满足
∣ A B ∣ = ∣ x 1 − x 2 ∣ 1 + k 2 ; ∣ A B ∣ = ∣ y 1 − y 2 ∣ 1 + k − 2 ( k ≠ 0 ) . |AB|=|x_1-x_2|\sqrt{1+k^2};\qquad
|AB|=|y_1-y_2|\sqrt{1+k^{-2}}\quad(k\ne0). ∣ A B ∣ = ∣ x 1 − x 2 ∣ 1 + k 2 ; ∣ A B ∣ = ∣ y 1 − y 2 ∣ 1 + k − 2 ( k = 0 ) .
第一式由 y 1 − y 2 = k ( x 1 − x 2 ) y_1-y_2=k(x_1-x_2) y 1 − y 2 = k ( x 1 − x 2 ) 代入距离公式得到;竖直线直接用 ∣ y 1 − y 2 ∣ |y_1-y_2| ∣ y 1 − y 2 ∣ 。若横坐标是 u x 2 + v x + w = 0 ux^2+vx+w=0 u x 2 + v x + w = 0 的两根(u ≠ 0 , Δ > 0 u\ne0,\Delta>0 u = 0 , Δ > 0 ),则
∣ A B ∣ = 1 + k 2 v 2 − 4 u w ∣ u ∣ . |AB|=\sqrt{1+k^2}\frac{\sqrt{v^2-4uw}}{|u|}. ∣ A B ∣ = 1 + k 2 ∣ u ∣ v 2 − 4 u w .
这是 ∣ x 1 − x 2 ∣ 2 = ( x 1 + x 2 ) 2 − 4 x 1 x 2 |x_1-x_2|^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2 ∣ x 1 − x 2 ∣ 2 = ( x 1 + x 2 ) 2 − 4 x 1 x 2 与韦达公式的组合。
弦中点由两端点坐标的平均得到;指定中点反求方向时,使用下一节的点差法。
三角形面积的四种表达与坐标式
设 P = ( x P , y P ) P=(x_P,y_P) P = ( x P , y P ) ,A = ( x 1 , y 1 ) , B = ( x 2 , y 2 ) A=(x_1,y_1),B=(x_2,y_2) A = ( x 1 , y 1 ) , B = ( x 2 , y 2 ) 。
过 P P P 的水平线与 A B AB A B 相交于 Q Q Q ,L h = ∣ P Q ∣ L_h=|PQ| L h = ∣ P Q ∣ ,则 S = 1 2 L h ∣ y 1 − y 2 ∣ S=\tfrac12L_h|y_1-y_2| S = 2 1 L h ∣ y 1 − y 2 ∣ (A B AB A B 非水平)。
过 P P P 的竖直线与 A B AB A B 相交于 Q Q Q ,L v = ∣ P Q ∣ L_v=|PQ| L v = ∣ P Q ∣ ,则 S = 1 2 L v ∣ x 1 − x 2 ∣ S=\tfrac12L_v|x_1-x_2| S = 2 1 L v ∣ x 1 − x 2 ∣ (A B AB A B 非竖直)。
d = d ( P , A B ) d=d(P,AB) d = d ( P , A B ) ,则 S = 1 2 d ∣ A B ∣ S=\tfrac12d|AB| S = 2 1 d ∣ A B ∣ 。
S = 1 2 ∣ P A ∣ ∣ P B ∣ sin ∠ A P B S=\tfrac12|PA||PB|\sin\angle APB S = 2 1 ∣ P A ∣∣ P B ∣ sin ∠ A P B 。
统一的坐标式为
S = 1 2 ∣ ( x 1 − x P ) ( y 2 − y P ) − ( x 2 − x P ) ( y 1 − y P ) ∣ . S=\frac12|(x_1-x_P)(y_2-y_P)-(x_2-x_P)(y_1-y_P)|. S = 2 1 ∣ ( x 1 − x P ) ( y 2 − y P ) − ( x 2 − x P ) ( y 1 − y P ) ∣.
它来自两向量行列式的绝对值。证明前两式时,令 A = Q + s v , B = Q + t v A=Q+s\mathbf v,B=Q+t\mathbf v A = Q + s v , B = Q + t v ,其中 v \mathbf v v 沿 A B AB A B ,则行列式化为 ( t − s ) det ( Q − P , v ) (t-s)\det(Q-P,\mathbf v) ( t − s ) det ( Q − P , v ) 。Q − P Q-P Q − P 水平或竖直时,分别得到所列的水平距离式或竖直距离式。面积取绝对值,不能将有向差当作无向长度。
中点弦的点差法
设椭圆 x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 x^2/a^2+y^2/b^2=1 x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 上不同点 P 1 ( x 1 , y 1 ) , P 2 ( x 2 , y 2 ) P_1(x_1,y_1),P_2(x_2,y_2) P 1 ( x 1 , y 1 ) , P 2 ( x 2 , y 2 ) 的中点为 M ( u , v ) M(u,v) M ( u , v ) 。两点方程相减,得
2 u ( x 1 − x 2 ) a 2 + 2 v ( y 1 − y 2 ) b 2 = 0. \frac{2u(x_1-x_2)}{a^2}+\frac{2v(y_1-y_2)}{b^2}=0. a 2 2 u ( x 1 − x 2 ) + b 2 2 v ( y 1 − y 2 ) = 0.
若 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 且弦不竖直,斜率为 − b 2 u / ( a 2 v ) -b^2u/(a^2v) − b 2 u / ( a 2 v ) 。应优先保留前面的无除法关系:中点为原点时它成为恒等式,不能决定斜率,任何直径都可能;v = 0 , u ≠ 0 v=0,u\ne0 v = 0 , u = 0 时则迫使竖直弦。
点差法给必要关系后,还须检查候选直线确实与曲线相交于两个不同实点。例如中点在椭圆外部,不会仅凭这个斜率公式就产生真实弦。
例
直线 y = x y=x y = x 与椭圆 x 2 / 4 + y 2 = 1 x^2/4+y^2=1 x 2 /4 + y 2 = 1 联立得 5 x 2 = 4 5x^2=4 5 x 2 = 4 ,交点为 ( ± 2 / 5 , ± 2 / 5 ) (\pm2/\sqrt5,\pm2/\sqrt5) ( ± 2/ 5 , ± 2/ 5 ) ,弦长为 4 2 / 5 4\sqrt{2/5} 4 2/5 。
联立、韦达、弦长和面积的一条完整计算链
椭圆 x 2 / 4 + y 2 = 1 x^2/4+y^2=1 x 2 /4 + y 2 = 1 与直线 y = x / 2 + 1 / 2 y=x/2+1/2 y = x /2 + 1/2 交于 A , B A,B A , B 。代入后得 2 x 2 + 2 x − 3 = 0 2x^2+2x-3=0 2 x 2 + 2 x − 3 = 0 ,判别式 28 > 0 28>0 28 > 0 ,故确有两个不同交点。由韦达定理,x 1 + x 2 = − 1 , x 1 x 2 = − 3 / 2 x_1+x_2=-1,x_1x_2=-3/2 x 1 + x 2 = − 1 , x 1 x 2 = − 3/2 ,于是
∣ x 1 − x 2 ∣ = ( x 1 + x 2 ) 2 − 4 x 1 x 2 = 7 , |x_1-x_2|=\sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}=\sqrt7, ∣ x 1 − x 2 ∣ = ( x 1 + x 2 ) 2 − 4 x 1 x 2 = 7 ,
A B = 1 + ( 1 / 2 ) 2 ∣ x 1 − x 2 ∣ = 35 2 . AB=\sqrt{1+(1/2)^2}\,|x_1-x_2|=\frac{\sqrt{35}}2. A B = 1 + ( 1/2 ) 2 ∣ x 1 − x 2 ∣ = 2 35 .
原点到直线 x − 2 y + 1 = 0 x-2y+1=0 x − 2 y + 1 = 0 的距离为 1 / 5 1/\sqrt5 1/ 5 ,所以 S O A B = 7 / 4 S_{OAB}=\sqrt7/4 S O A B = 7 /4 。弦中点为 ( − 1 / 2 , 1 / 4 ) (-1/2,1/4) ( − 1/2 , 1/4 ) 。整个过程无需写出两个含根式的端点。
切线的含义及曲线上点的要求
切线描述曲线在一个确定点的局部方向。在光滑二次曲线上,切向对应代入直线后在切点出现二重根的方向。直线必须真的经过曲线上的切点;“经过曲线外一点的切线”应另设未知切点,不能把外点直接当作切点代入公式。
本篇的切线表同时包括有斜率和竖直切线。一般二次式的推导见展开一次项求切向 。当给定点在曲线外且能作两条不同实切线时,将外点坐标代入对称的切线表达式,所得的是两切点连线;这一区别在下表后另作说明。
相切判据与切线方程完整表
将直线与圆锥曲线联立,先看消元所得方程的次数,再看判别式。真正的二次方程 A u 2 + B u + C = 0 Au^2+Bu+C=0 A u 2 + B u + C = 0 (A ≠ 0 A\ne0 A = 0 )由 Δ \Delta Δ 判断两个、一个或零个实交点;降为一次时的单个交点不自动表示相切,例如平行抛物线轴的直线。
下表直线为 A x + B y + C = 0 Ax+By+C=0 A x + B y + C = 0 ,A , B A,B A , B 不全为零;r , a , b , p > 0 r,a,b,p>0 r , a , b , p > 0 。
曲线
相切的充要条件
x 2 + y 2 = r 2 x^2+y^2=r^2 x 2 + y 2 = r 2
r 2 ( A 2 + B 2 ) = C 2 r^2(A^2+B^2)=C^2 r 2 ( A 2 + B 2 ) = C 2
x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 x^2/a^2+y^2/b^2=1 x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1
a 2 A 2 + b 2 B 2 = C 2 a^2A^2+b^2B^2=C^2 a 2 A 2 + b 2 B 2 = C 2
x 2 / a 2 − y 2 / b 2 = 1 x^2/a^2-y^2/b^2=1 x 2 / a 2 − y 2 / b 2 = 1
a 2 A 2 − b 2 B 2 = C 2 a^2A^2-b^2B^2=C^2 a 2 A 2 − b 2 B 2 = C 2 ,且 C ≠ 0 C\ne0 C = 0
y 2 = 2 p x y^2=2px y 2 = 2 p x
p B 2 = 2 A C pB^2=2AC p B 2 = 2 A C ,且 A ≠ 0 A\ne0 A = 0
x 2 = 2 p y x^2=2py x 2 = 2 p y
p A 2 = 2 B C pA^2=2BC p A 2 = 2 B C ,且 B ≠ 0 B\ne0 B = 0
双曲线遗漏 C ≠ 0 C\ne0 C = 0 会把渐近线算成切线;两种抛物线条件中的非零要求排除了无意义的假切线。圆的判据由点线距离得到;其余可把直线代入曲线,使真正的二次判别式为零。双曲线不要求 a > b a>b a > b 。
曲线上点 P = ( x 0 , y 0 ) P=(x_0,y_0) P = ( x 0 , y 0 ) 处切线全表为:
曲线
切线
x 2 + y 2 = r 2 x^2+y^2=r^2 x 2 + y 2 = r 2
x 0 x + y 0 y = r 2 x_0x+y_0y=r^2 x 0 x + y 0 y = r 2
( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 (x-a)^2+(y-b)^2=r^2 ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2
( x 0 − a ) ( x − a ) + ( y 0 − b ) ( y − b ) = r 2 (x_0-a)(x-a)+(y_0-b)(y-b)=r^2 ( x 0 − a ) ( x − a ) + ( y 0 − b ) ( y − b ) = r 2
y 2 = 2 p x y^2=2px y 2 = 2 p x
y 0 y = p ( x + x 0 ) y_0y=p(x+x_0) y 0 y = p ( x + x 0 )
x 2 = 2 p y x^2=2py x 2 = 2 p y
x 0 x = p ( y + y 0 ) x_0x=p(y+y_0) x 0 x = p ( y + y 0 )
x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 x^2/a^2+y^2/b^2=1 x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1
x 0 x / a 2 + y 0 y / b 2 = 1 x_0x/a^2+y_0y/b^2=1 x 0 x / a 2 + y 0 y / b 2 = 1
x 2 / a 2 − y 2 / b 2 = 1 x^2/a^2-y^2/b^2=1 x 2 / a 2 − y 2 / b 2 = 1
x 0 x / a 2 − y 0 y / b 2 = 1 x_0x/a^2-y_0y/b^2=1 x 0 x / a 2 − y 0 y / b 2 = 1
A x 2 + B y 2 + D x + E y + F = 0 Ax^2+By^2+Dx+Ey+F=0 A x 2 + B y 2 + D x + E y + F = 0
A x 0 x + B y 0 y + D ( x + x 0 ) / 2 + E ( y + y 0 ) / 2 + F = 0 Ax_0x+By_0y+D(x+x_0)/2+E(y+y_0)/2+F=0 A x 0 x + B y 0 y + D ( x + x 0 ) /2 + E ( y + y 0 ) /2 + F = 0
最后一行要求曲线非退化且 P P P 是其光滑点。证明可由隐式求导的法向量 ( 2 A x 0 + D , 2 B y 0 + E ) (2Ax_0+D,2By_0+E) ( 2 A x 0 + D , 2 B y 0 + E ) 写直线,再利用 P P P 在曲线上整理;这也包括斜率不存在的竖直切线。
切点弦 :若曲线外点 P P P 确实能引出两条不同的实切线,切点为 M , N M,N M , N ,则将 P P P 坐标代入相应的切线表,所得方程就是 M N MN M N 。以椭圆为例,M M M 处切线经过 P P P 意味着 x M x 0 / a 2 + y M y 0 / b 2 = 1 x_Mx_0/a^2+y_My_0/b^2=1 x M x 0 / a 2 + y M y 0 / b 2 = 1 ,N N N 同理,故二者都在该直线上。双曲线、抛物线必须先检查两条有限实切线存在;“外点”不能代替这个条件。
一个交点不一定意味着相切
把直线代入双曲线或抛物线后,首先检查所得方程的次数。对 x 2 − y 2 = 1 x^2-y^2=1 x 2 − y 2 = 1 ,代入 y = x + 1 y=x+1 y = x + 1 得 − 2 x − 1 = 1 -2x-1=1 − 2 x − 1 = 1 ,仅有交点 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) ;该直线平行于渐近线,并非该点的切线。切线实际上是 x = − 1 x=-1 x = − 1 。
只有消元后确为二次方程,才能按二次方程判别式讨论重根;若要求两不同交点,必须保留二次项系数非零及判别式大于零。设 y = k x + b y=kx+b y = k x + b 还会漏掉竖直直线;可单独处理,或在适当情形改设 x = t y + m x=ty+m x = t y + m 。
易错点
“判别式为零等于相切”要以联立式确为二次且没有因去分母引入伪解为前提。射线、线段还需额外检查交点位置。
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先修:圆锥曲线的定义与标准方程 · 二次函数、方程与不等式 。
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