焦点弦

王朝百科·作者佚名  2010-09-04
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定义

焦点弦是指椭圆或者双曲线上经过一个焦点的弦.

特点

焦点弦是由两个在同一条直线上的焦半径构成的.

(焦半径是由一个焦点引出的射线与椭圆或双曲线相交形成的).而由于椭圆或双曲线上的点与焦点之间的距离(即焦半径长)可以用椭圆或双曲线离心率和该点到对应的准线之间的距离来表示(圆锥曲线第二定义),因此,焦半径长可以用该点的横坐标来表示,与纵坐标无关.这是一个很好的性质. 焦点弦长就是这两个焦半径长之和.

此外,由于焦点弦经过焦点,其方程式可以由其斜率唯一确定,很多问题可以转化为对其斜率范围或取值的讨论.(注意斜率不存在的情况!即垂直于x轴!)

研究对象

圆锥曲线方程。

性质应用

圆锥曲线焦点弦的性质及其应用

性质 ⑴过椭圆 焦点F的直线交椭圆于A、B两点,设 =q,则 是焦准距, 是离心率。

⑵过双曲线 (a>0,b>0)焦点F的直线交双曲线于A、B两点,设 =q。若A、B两点在双曲线的同一支上(此时称AB为双曲线的同支焦点弦),则 ,其中 是焦准距;若A、B两点分别位于双曲线的左支和右支上(此时称AB为双曲线的异支焦点弦),则 是焦准距, 是离心率。(抛物线的类似性质,本文从略)

相关展示性质 ⑴过椭圆 焦点F的直线交椭圆于A、B两点,设 =q,则 是焦准距, 是离心率。

⑵过双曲线 (a>0,b>0)焦点F的直线交双曲线于A、B两点,设 =q。若A、B两点在双曲线的同一支上(此时称AB为双曲线的同支焦点弦),则 ,其中 是焦准距;若A、B两点分别位于双曲线的左支和右支上(此时称AB为双曲线的异支焦点弦),则 是焦准距, 是离心率。(抛物线的类似性质,本文从略)

证明:(只证性质⑴,性质⑵的证明从略)

由对称性,不妨取F为右焦点。设右准线l与

x轴交于点D,过A作AG⊥l于G,过B作BH

⊥l于点H,则AG∥FD∥BH;且由椭圆的第二

定义知,|AG|= ,|BH|= 。

令|FE|=m,|ED|=n,则m+n=|FD|= 。

故由 , = 可得:

∴ 。因此,m+n= ⇔ 。

∴ ,从而 就是焦准距。证毕。

[说明] ①在上述证明过程中出现的“m = n”, “即|FE|=|ED|”,亦即 E为线段FD的中点(如图1) 这是椭圆焦点弦的另一条性质。双曲线与抛物线也有这一性质。

②如图1,若设∠AFD= ,并分别过A、F作FD和BH的垂线,则可证:

, ;从而得焦点弦长公式:|AB|= = 就是焦准距 。在双曲线与抛物线中也有这样的公式,如:在双曲线 (a>0,b>0)中,若焦点弦AB的倾斜角为 ,则 , ;从而焦点弦长 为焦准距, 是离心率, 且 。

③如图1,若分别连接AD和BD,利用说明①的结论,则易证:∠ADF=∠BDF,即x轴平分∠ADB。在双曲线与抛物线中也有这样的结论。

例1 (07年全国(Ⅰ)高考(理)题)已知椭圆 的左、右焦点分别为F1、F2,过F1的直线交椭圆于B、D两点,过F2的直线交椭圆于A、C两点,且AC⊥BD,垂足为P。

(Ⅰ)设P点的坐标为(x0,y0),证明: ;

(Ⅱ)求四边形ABCD的面积的最小值。

分析:(Ⅰ)略。

(Ⅱ)由(Ⅰ)知,AC⊥BD的垂足P在椭圆的内部,因此,(画草图)四边形ABCD的面积S= 。

设直线AC的倾斜角为 ,则由本文性质的说明②可得:|AC|= ;而AC⊥BD,∴|BD|= 。从而S= 。

由均值不等式可得: ≤ 。

∴S≥ ,当且仅当 =45°或135°时取等号——问题获解。

例2 ⑴ 求双曲线 同支焦点弦的弦长的最小值;

⑵ 求双曲线 异支焦点弦的弦长的最小值。

解 ⑴由对称性(如图2),不妨设同支焦点弦

AB经过右焦点F(c, 0) ,且设 = n,

则由本文性质⑴知: ,即 。

而mn≤ , ∴ ≥ 。

因此 ≥ ,即 ≥ 。

故|AB|=m+n≥ ,其中当且仅当m=n时取等号;即焦点弦AB垂直于实轴时,同支焦点弦的弦长取到最小值 。

⑵设异支焦点弦CD的倾斜角为 ,则由本文性质的说明②可得: 。易知当且仅当 时取|CD|最小值2a。

(注:运用“数形结合”思想,也易从图2中推出|CD|≥2a)。

如果抛物线两条切线的交点在准线上,则切点弦必为焦点弦。

本文即在于用二次曲线的极线理论对这一性质作进一步的推广,得出一些更一般的结论(即本文末的定理5和定理6)。

什么是二次曲线的极线?

设S:Ax+2Bxy+Cy+2Dx+2Ey+F=0为常态二次曲线,P(x0,y0)为不在S上的点(有心二次曲线的中心也除外,下同),我们把直线P:Ax0x+B(x0y+y0x)+Cy0y+D(x+x0)+E(y+y0)+F=0叫做点P关于S的极线,点P则叫做直线P关于S的极点。

在这样的定义下,有心二次曲线的中心没有极线,并且

定理1 (配极理论的原则). 若点P的极线通过点Q,则点Q的极线也通过点P.

定理2 通过一点P而且与一个常态二次曲线相切的直线它的切点在点P的极线上。

定理3 椭圆、双曲线、抛物线焦点的极线是相应的准线。

定理4 如果椭圆、双曲线、抛物线的两条切线的交点在准线上,则过切点的直线必过焦点。

这是因为,焦点的极线是相应准线(定理3),又交点在准线上,准线上的点的极线就必过焦点(定理1),而定理2又告诉我们这条过焦点的极线恰好经过两切点。

由于在射影平面内,圆的焦点是圆心,准线是无穷远直线,故定理4又可推广为:

定理5 如果常态二次曲线的两条切线的交点在准线上,则过切点的直线必过焦点。

(特别:如果圆的两条切线平行,则切点弦是圆的直径)。

不言而喻,更一般还有

定理6 (1)点E是常态二次曲线内部一点,但不是有心二次曲线的中心,如果该曲线的两条切线的交点在点E的极线上,则过切点的直线必过点E.

(2)如果有心二次曲线的两条切线平行,则过切点的直线必过中心。

 
 
 
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