高中數學:二次曲線中的齊次式

2021-02-08 高中數學競賽

齊次式是一種常見的關係式,它體現了數學的對稱美。有關二次曲線的題目往往運算量較大,引入齊次方程可以化繁為簡,化難為易。怎樣應用呢?

途徑1 一次方程二次化

通過乘積,將兩直線方程合成二次式,作為新曲線參與解題。

例1 直線與雙曲線及其漸近線交於A、B、C、D四點(如圖1),求證|AC|=|BD|。

證明 將兩漸近線方程合成二次式

聯立方程組,得

由於(1)、(2)消去y,所得二次方程僅常數項不同,因此必有

亦即AB、CD中點重合

由平面幾何知識知|AC|=|BD|

例2 已知,試問:若且唯若a,b滿足什麼條件時,對上任一點P,均存在以P為頂點,與外切、與內接的平行四邊形?並證明你的結論。

解 過P點作的一條直徑PR(過橢圓中心的線段稱為直徑),作直徑QS⊥PR,顯然PQRS為菱形。(想一想,為什麼?)

設PS方程為

(此為直線的法線式方程,其中為PS垂線的傾角,p為O到PS距離)

則直線OP、OS的方程可「合成」為

(可以證明此曲線方程是雙曲線型過原點,且過P、S,故即為直線OP與OS兩直線方程的「合成」)

變形為

由OP⊥OS可得

所以

而菱形PQRS與相切的充要條件為p=1

途徑2 常數字母化

將直線方程變換為的形式進行代換,消去常數項,巧構齊次方程。

例3 已知直線與二次曲線+F=0,相交於M、N兩點,試求直線OM、ON垂直的充要條件。

解 由

代入二次曲線方程得x,y的齊次方程

方程是x,y的齊次方程,因此,(*)表示過原點的兩直線;

又M、N坐標滿足方程(*),

因此,(*)就是OM、ON的方程。

(*)可改寫成

(其中G是常數不必算出)

則OM⊥ON的充要條件是

例4 已知圓C:,問是否存在斜率為1的直線l,使l被圓C截得弦AB,以AB為直徑的圓經過原點,若存在,寫出直線l的方程;若不存在,說明理由。

解 設l的方程:,則

代入圓的方程,得

整理得

由於,可得

由OA⊥OB,則


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