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同构思维在解析几何中的妙用

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同构思维提高效率

圆锥曲线的有关问题变量多,运算量大,有时部分学生在考试过程中不易做对。同构思想在解决问题时能优化计算,比起以往联立直线与曲线方程的常规方法,显然简便许多。当题目中出现具有相同结构、相同式子时,或过某一点处的切线等相似结构时,可以考虑采用同构法(例如,两点均由同一双曲线和同一直线相交而得,或两点均是过同一定点所作的双曲线切线的切点,如此,两点坐标均遵循相同的方程组,化简该方程组得到的一元二次方程可使用韦达定理),从而达到提高解题效率的目的。

不要刻意使用同构法

并不是所有的圆锥曲线大题都可以用同构法,相反,只有一小部分可以使用。尽管这部分题目的规律有迹可循(如上所述),但因同构思维并不是单独的考点,因此笔者仍建议考生见招拆招、顺其自然,而不要刻意凑同构,以免考场上因凑不出同构而白白浪费时间。

  1. (2022年新高考I卷21题)已知点A(2, 1)在双曲线C:$\dfrac{x^{2}}{a^{2}}-\dfrac{y^{2}}{a^{2}-1}=1$(a > 1)上,直线l交双曲线C于P, Q两点,直线AP, AQ的斜率之和为0.求l的斜率.

    答案

    双曲线方程为$\dfrac{x^{2}}{2}-y^{2}=1$,k = −1.

    设而不求

    设直线 lPQ:y = kx + m,P(1, i),Q(x0, y0)。

    将条件$\overrightarrow{AP}+\overrightarrow{AQ}=\overrightarrow{0}$坐标化消去,得

    $$\dfrac{k(x_0^2+m-1)}{2x_0k^2+(m-1-2k)(x_0+2)}-\dfrac{4(m - 1)}{2(x_0 - 2)} = 0$$

    $\begin{align}k_{AP}+k_{AQ}&=\frac{y_1 - 1}{x_1 - 2}+\frac{y_2 - 1}{x_2 - 2}\\&=\frac{kx_1 + m - 1}{x_1 - 2}+\frac{kx_2 + m - 1}{x_2 - 2}\\&=\frac{2kx_1x_2+(m - 1 - 2k)(x_1 + x_2)-4(m - 1)}{(x_1 - 2)(x_2 - 2)}\\&=0\end{align}$

    联立直线PQ与双曲线方程,利用韦达定理化简得$\begin{align*}4(k + 1)(m + 2k - 1)&=0\end{align*}$,

    分类讨论得$\begin{align*}k = -1.\end{align*}$

    设而求之

    易知直线AP,AQ的斜率存在,设lAP : y − 1 = k1(x − 2),lAQ : y − 1 = k2(x − 2)。

    联立双曲线方程,

    求得$P\left(\dfrac{-4k_{1}^{2}+4k_{1}-2}{1 - 2k_{1}^{2}},\dfrac{6k_{1}^{2}-4k_{1}+1}{1 - 2k_{1}^{2}}\right)$,

    $Q\left(\dfrac{-4k_{2}^{2}+4k_{2}-2}{1 - 2k_{2}^{2}},\dfrac{6k_{2}^{2}-4k_{2}+1}{1 - 2k_{2}^{2}}\right)$。

    结合条件k1 + k2 = 0得$k_{PQ}=\dfrac{y_{2}-y_{1}}{x_{2}-x_{1}}=\dfrac{4k_{1}-k_{1}\left(x_{1}+x_{2}\right)}{x_{2}-x_{1}}$,

    代入坐标得kPQ = −1。

  2. 已知椭圆C的标准方程为$\dfrac{x^{2}}{5}+y^{2}=1$,过椭圆C的右焦点F的直线l交椭圆于A,B两点,交y轴于点M,若$\overrightarrow{MA}=\lambda_{1}\overrightarrow{AF}$,$\overrightarrow{MB}=\lambda_{2}\overrightarrow{BF}$,求证:λ1 + λ2为定值。

    解析

    由方程①②得$A\left(\dfrac{2\lambda_{1}}{1+\lambda_{1}},\dfrac{-2}{m(1+\lambda_{1})}\right)$,$B\left(\dfrac{2\lambda_{2}}{1+\lambda_{2}},\dfrac{-2}{m(1+\lambda_{2})}\right)$。

    将A,B代入椭圆方程得 $$\begin{cases}\dfrac{4\lambda_{1}^{2}}{5(1+\lambda_{1})^{2}}+\dfrac{4}{m^{2}(1+\lambda_{1})^{2}}=1\\\dfrac{4\lambda_{2}^{2}}{5(1+\lambda_{2})^{2}}+\dfrac{4}{m^{2}(1+\lambda_{2})^{2}}=1\end{cases}$$

    化简得$\begin{cases}m^{2}\lambda_{1}^{2}+10m^{2}\lambda_{1}+5m^{2}-20=0,\\m^{2}\lambda_{2}^{2}+10m^{2}\lambda_{2}+5m^{2}-20=0,\end{cases}$

    则λ1,λ2是方程m2x2 + 10m2x + 5m2 − 20 = 0的两根,

    由韦达定理得λ1 + λ2 = −10。

  3. (2019年全国卷III理21题)如图 2,曲线$C:y=\dfrac{1}{2}x^{2}$,D为直线$y = -\dfrac{1}{2}$上的点,过D作曲线C的两条切线,切点分别为A,B。证明:直线AB过定点。

    解析

    A(x1, y1),B(x2, y2),y′ = x,kAD = x1,kBD = x2,

    则AD : y − y1 = x1(x − x1),lBD : y − y2 = x2(x − x2)。

    点$D(t,-\dfrac{1}{2})$代入两切线方程得 $$\begin{cases}-\dfrac{1}{2}-y_{1}=x_{1}(t - x_{1})\\-\dfrac{1}{2}-y_{2}=x_{2}(t - x_{2})\end{cases}$$

    化简$\begin{cases}x_{1}t - x_{1}^{2}+y_{1}+\dfrac{1}{2}=0,\\x_{2}t - x_{2}^{2}+y_{2}+\dfrac{1}{2}=0\end{cases}$,

    由点A,B在抛物线上知x2 = 2y,消x2,

    得$\begin{cases}x_{1}t - y_{1}+\dfrac{1}{2}=0,\\x_{2}t - y_{2}+\dfrac{1}{2}=0,\end{cases}$

    从而A(x1, y1),B(x2, y2)是方程$tx - y+\dfrac{1}{2}=0$的两根,

    即点A,B在直线$tx - y+\dfrac{1}{2}=0$上,则$l_{AB}:y = tx+\dfrac{1}{2}$,定点为$(0,\dfrac{1}{2})$。

  4. 已知A,B分别为椭圆$E:\dfrac{x^{2}}{9}+y^{2}=1$的左、右顶点,P为直线x = 6上的动点,PA与E的另一交点为C,PB与E的另一交点为D。证明:直线CD过定点。

    解析

    设C(x1, y1),D(x2, y2),P(6, t),若t ≠ 0,

    则设直线CD的方程为x = my + n,−3 < n < 3。

    椭圆和直线CD联立得(9 + m2)y2 + 2mny + n2 − 9 = 0,

    由韦达定理:$y_{1}+y_{2}=-\dfrac{2mn}{9 + m^{2}}$①

    $y_{1}y_{2}=\dfrac{n^{2}-9}{9 + m^{2}}$②

    因为A,C,P三点共线,得$\dfrac{y_{1}}{x_{1}+3}=\dfrac{t}{9}$,

    所以$y_{1}=\dfrac{t}{9}(x_{1}+3)$,

    等号两侧同时乘以y2得:$y_{1}y_{2}=\dfrac{t}{9}(x_{1}+3)y_{2}$,

    又因为D,B,P三点共线,得$\dfrac{y_{2}}{x_{2}-3}=\dfrac{t}{3}$,所以$y_{2}=\dfrac{t}{3}(x_{2}-3)$,

    等号两侧同时乘以y1,得$y_{1}y_{2}=\dfrac{t}{3}(x_{2}-3)y_{1}$,

    所以$\dfrac{t}{9}(x_{1}+3)y_{2}=\dfrac{t}{3}(x_{2}-3)y_{1}$,

    可得3y1(x2 − 3) = y2(x1 + 3),所以3y1y2(x2 − 3)(x2 + 3) = y22(x1 + 3)(x2 + 3),

    所以3y1y2(x22 − 9) = y22(x1 + 3)(x2 + 3),

    又因为D点在椭圆上,所以$\dfrac{x_{2}^{2}}{9}+y_{2}^{2}=1$,

    即x22 − 9 = −9y22,所以y22(x1 + 3)(x2 + 3) = −27y1y23,

    即(x1 + 3)(x2 + 3) = −27y1y2,所以(x1 + 3)(x2 + 3) + 27y1y2 = 0,

    又因为x1 = my1 + n,x2 = my2 + n,

    代入化简整理得(m2 + 27)y1y2 + (3m + mn)(y1 + y2) + n2 + 6n + 9 = 0。

    将①②代入得(n2 − 9)(m2 + 27) − 2mn(3m + mn) + (n + 3)2(9 + m2) = 0,

    整理得2n2 + 3n − 9 = 0,解得$n=\dfrac{3}{2}$或n = −3(舍),

    所以直线CD的方程为$x = my+\dfrac{3}{2}$,所以直线CD过定点$(\dfrac{3}{2},0)$。若t = 0,则设直线CD的方程为y = 0,显然过定点$(\dfrac{3}{2},0)$,

    综上,直线CD过定点。

  5. (2018 年浙江卷 21,节选)如图所示,已知点P是y轴左侧(不含y轴)一点,抛物线C : y2 = 4x上存在不同的两点A,B满足PA,PB的中点均在C上。设AB中点为M,证明:PM垂直于y轴。

    解析

    设A(x1, y1),B(x2, y2),P(x0, y0),

    则PA,PB的中点分别是$D(\dfrac{x_{0}+x_{1}}{2},\dfrac{y_{0}+y_{1}}{2})$,$E(\dfrac{x_{0}+x_{2}}{2},\dfrac{y_{0}+y_{2}}{2})$。

    因为点D在抛物线上,

    则$\begin{cases}(\dfrac{y_{0}+y_{1}}{2})^{2}=4\cdot\dfrac{x_{0}+x_{1}}{2},\\y_{1}^{2}=4x_{1},\end{cases}$

    化简可得y12 − 2y0y1 + 8x0 − y02 = 0。

    同理可得y22 − 2y0y2 + 8x0 − y02 = 0,

    所以y1,y2是方程y2 − 2y0y + 8x0 − y02 = 0的两根,

    y1 + y2 = 2y0,即$y_{0}=\dfrac{y_{1}+y_{2}}{2}$。

  6. 如图所示,过椭圆$C:\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1$(a > b ≥ 0)上一点P作x轴的垂线,垂足为F1,已知F1,F2分别为椭圆C的左、右焦点,A,B分别是椭圆C的右顶点、上顶点,且AB// OP,$\vert F_{2}A\vert=\sqrt{2}-1$。

    (1)求椭圆C的方程;

    (2)过点F1的直线l交椭圆C于M,N两点,记直线PM,PN,MN的斜率分别为k1,k2,k,问:k1k2 − 2k是否为定值?请说明理由。

    解析

    (1)椭圆的方程为$\dfrac{x^{2}}{2}+y^{2}=1$(求解过程略)。

    (2)直线PM,PN具有形上的对等性,即直线PM与MN的相交过程与直线PN与MN的相交过程完全一致,点M,N的产生上也具有对等性,故而我们可用同构法选择其一进行研究。

    设M(x1, y1),N(x2, y2),$PN:y-\dfrac{1}{\sqrt{2}}=k_{1}(x + 1)$。

    联立$\begin{cases}y = k_{1}(x + 1)+\dfrac{1}{\sqrt{2}},\\y = k(x + 1),\end{cases}$

    得$\begin{cases}x = -1+\dfrac{1}{\sqrt{2}(k - k_{1})},\\y=\dfrac{k}{\sqrt{2}(k - k_{1})},\end{cases}$

    故$M\left(-1+\dfrac{1}{\sqrt{2}(k - k_{1})},\dfrac{k}{\sqrt{2}(k - k_{1})}\right)$。

    同理可得$N\left(-1+\dfrac{1}{\sqrt{2}(k - k_{2})},\dfrac{k}{\sqrt{2}(k - k_{2})}\right)$,

    将M代入椭圆得$\left[-1+\dfrac{1}{\sqrt{2}(k - k_{1})}\right]^{2}+2\left[\dfrac{k}{\sqrt{2}(k - k_{1})}\right]^{2}=2$ $\Rightarrow2k_{1}^{2}-2(2k+\sqrt{2})k_{1}+(2\sqrt{2}k - 1)=0$,

    同理可得$2k_{2}^{2}-2(2k+\sqrt{2})k_{2}+(2\sqrt{2}k - 1)=0$

    即k1,k2是方程$2x^{2}-2(2k+\sqrt{2})x+(2\sqrt{2}k - 1)=0$的两根,

    所以$k_{1}+k_{2}=2k+\sqrt{2}$,则$k_{1}+k_{2}-2k=\sqrt{2}$。

  7. 在直角坐标系xOy中,抛物线C : y2 = 2px(p > 0)与直线l : x = 4交于P,Q两点,且OP ⟂ OQ。抛物线C的准线与x轴交于点M,G是以M为圆心,OM为半径的圆上的一点(非原点),过点G作抛物线C的两条切线,切点分别为A,B。

    (1)求抛物线C的方程;

    (2)求△ABG面积的取值范围。

    解析

    (1)y2 = 4x。

    (2)计算抛物线C : y2 = 4x在点N(xN, yN)处的切线方程为2x − yNy + 2xN = 0,

    对抛物线方程y2 = 4x求导得2yy′ = 4,在N点处的斜率为$\dfrac{2}{y_{N}}$,

    在N点处的切线方程为$y - y_{N}=\dfrac{2}{y_{N}}(x - x_{N})$,

    整理得2x − yNy + 2xN = 0。

    设A(x1, y1),B(x2, y2),G(x3, y3),

    则直线GA,GB的方程分别为2x − y1y + 2x1 = 0,2x − y2y + 2x2 = 0。

    因为点G在直线GA,GB上,所以$\begin{cases}2x_{3}-y_{1}y_{3}+2x_{1}=0\\2x_{3}-y_{2}y_{3}+2x_{2}=0\end{cases}$,

    ①②两式相减得$\dfrac{y_{2}-y_{1}}{x_{2}-x_{1}}=\dfrac{2}{y_{3}}$,

    并由①得y1y3 − 2x1 = 2x3。直线AB的斜率为$\dfrac{y_{2}-y_{1}}{x_{2}-x_{1}}=\dfrac{2}{y_{3}}$,

    所以直线AB的方程为2x − y3y + 2x3 = 0。

  8. 已知椭圆$F:\dfrac{x^{2}}{3}+\dfrac{y^{2}}{2}=1$,B,D是椭圆上关于原点对称的两点,设以BD为对角线的椭圆内接平行四边形ABCD的一组邻边AB,BC斜率分别为k1,k2,则$k_{1}\cdot k_{2}=\underline{-\dfrac{2}{3}}$。

    解析

    因为B,D是椭圆$F:\dfrac{x^{2}}{3}+\dfrac{y^{2}}{2}=1$上关于原点对称的两点,不妨设B(x1, y1),

    则D(−x1, −y1),且$\dfrac{x_{1}^{2}}{3}+\dfrac{y_{1}^{2}}{2}=1$。

    又平行四边形ABCD是椭圆$F:\dfrac{x^{2}}{3}+\dfrac{y^{2}}{2}=1$内接平行四边形,则点A,C关于原点对称,

    不妨设A(x2, y2),则C(−x2, −y2),且$\dfrac{x_{2}^{2}}{3}+\dfrac{y_{2}^{2}}{2}=1$。

    直线BA,BC的斜率分别为:$k_{1}=\dfrac{y_{1}-y_{2}}{x_{1}-x_{2}}$,$k_{2}=\dfrac{y_{1}+y_{2}}{x_{1}+x_{2}}$,

    因此$k_{1}\cdot k_{2}=\dfrac{y_{1}^{2}-y_{2}^{2}}{x_{1}^{2}-x_{2}^{2}}$。

    而$\dfrac{x_{1}^{2}}{3}+\dfrac{y_{1}^{2}}{2}=1=\dfrac{x_{2}^{2}}{3}+\dfrac{y_{2}^{2}}{2}$,

    即$\dfrac{x_{1}^{2}-x_{2}^{2}}{3}=-\dfrac{y_{1}^{2}-y_{2}^{2}}{2}$,

    所以$k_{1}\cdot k_{2}=-\dfrac{2}{3}$。

参考文献

  • 常梨君,金一鸣.“形”中挖“同”“数”中寻“构”——记“同构思想”在解析几何中的应用[J].中学数学月刊,2022,(11):69-72.
  • 李声武.同构法在解题中的应用[J].数理天地(高中版),2023,(01):23-24.
  • 刘群.同构思维在解析几何中的“妙用”[J].高中数理化,2021,(04):8-9.
  • 杨科荣.同构方程视角下高中数学解题思考——以解析几何试题为例[J].数理天地(高中版),2024,(03):48-50.

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