动点的轨迹问题根据动点的运动规律求出动点的轨迹方程,这是解析几何的一大课题:一方面求轨迹方程的实质是将“形”转化为“数”,将“曲线”转化为“方程”,通过对方程的研究来认识曲线的性质;另一方面求轨迹方程是培养学生数形转化的思想、方法以及技巧的极好教材。
该内容不仅贯穿于“圆锥曲线”的教学的全过程,而且在建构思想、函数方程思想、化归转化思想等方面均有体现和渗透。
轨迹问题是高考中的一个热点和重点,在历年高考中出现的频率较高,特别是当今高考的改革以考查学生创新意识为突破口,注重考查学生的逻辑思维能力,运算能力,分析问题和解决问题的能力,而轨迹方程这一热点,常涉及函数、三角、向量、几何等知识,能很好地反映学生在这些能力方面的掌握程度。
求轨迹方程的的基本步骤:建设现代化(检验)建(坐标系)设(动点坐标)现(限制条件,动点、已知点满足的条件)代(动点、已知点坐标代入)化(化简整理)检验(要注意定义域“挖”与“补”)求轨迹方程的的基本方法:1.直接法:如果动点运动的条件就是一些几何量的等量关系,这些条件简单明确,不需要特殊的技巧,易于表述成含 x,y 的等式,就得到轨迹方程,这种方法称之为直接法。
2.定义法:运用解析几何中一些常用定义(例如圆锥曲线的定义),可从曲线定义出发直接写出轨迹方程,或从曲线定义出发建立关系式,从而求出轨迹方程。
3.代入法:动点所满足的条件不易表述或求出,但形成轨迹的动点 P(x,y)却随另一动点Q(x ' , y ' )的运动而有规律的运动,且动点 Q 的轨迹为给定或容易求得,则可先将 x ',y ' 表示为 x,y的式子,再代入 Q 的轨迹方程,然而整理得 P 的轨迹方程,代入法也称相关点法。
4.参数法:求轨迹方程有时很难直接找到动点的横坐标、纵坐标之间的关系,则可借助中间变量(参数),使 x,y 之间建立起联系,然而再从所求式子中消去参数,得出动点的轨迹方程。
5.交轨法:求两动曲线交点轨迹时,可由方程直接消去参数,例如求两动直线的交点时常用此法,也可以引入参数来建立这些动曲线的联系,然而消去参数得到轨迹方程。
可以说是参数法的一种变种。
6.转移法:如果动点 P 随着另一动点 Q 的运动而运动,且 Q 点在某一已知曲线上运动,那么只需将 Q 点的坐标来表示,并代入已知曲线方程,便可得到 P 点的轨迹方程。
7.几何法:利用平面几何或解析几何的知识分析图形性质,发现动点运动规律和动点满足的条件,然而得出动点的轨迹方程。
8.待定系数法:求圆、椭圆、双曲线以及抛物线的方程常用待定系数法求。
9.点差法:求圆锥曲线中点弦轨迹问题时,常把两个端点设为A(x1,y1),B(x2,y2)并代入圆锥曲线方程,然而作差求出曲线的轨迹方程。
此部分内容主要考查圆锥曲线,圆锥曲线的定义是根本,它是相应标准方程和几何性质的“源”。
对于圆锥曲线的有关问题,要有运用圆锥曲线定义解题的意识,“回归定义”是一种重要的解题策略。
二、注意事项:1.求轨迹方程的关键是在纷繁复杂的运动变化中,发现动点 P的运动规律,即 P点满足的等量关系,因此要学会动中求静,变中求不变。
2.轨迹方程既可用普通方程F(x,y) = 0表示,又可用参数方程x = f (t)(t为参数)y = g (t) 来表示,若要判断轨迹方程表示何种曲线,则往往需将参数方程化为普通方程。
3.求出轨迹方程后,应注意检验其是否符合题意,既要检验是否增解,(即以该方程的某些解为坐标的点不在轨迹上),又要检验是否丢解。
(即轨迹上的某些点未能用所求的方程表示),出现增解则要舍去,出现丢解,则需补充。
检验方法:研究运动中的特殊情形或极端情形。
4 .求轨迹方程还有整体法等其他方法。
在此不一一缀述。
【典型例题选讲】一、直接法题型:例1 已知直角坐标系中,点Q(2,0),圆C 的方程为x2 + y2=1,动点M 到圆C 的切线长与MQ的比等于常数(0) ,求动点M的轨迹。
解:设MN切圆C于N,则MN2 = MO2- ON2。
设M ( x, y) ,则x + y - 1 = ( x - 2) + y 化简得(2-1)(x2+ y2)-42x+(1+42)=0 (1)当= 1时,方程为x = ,表示一条直线。
4221+ 322)当1时,方程化为(x-22-1)2+ y2= (1+2 -31)2 表示一个圆。
说明:求轨迹方程一般只要求出方程即可,求轨迹却不仅要求出方程而且要说明轨迹是什么。
变式- - 如图,圆O1与圆O2的半径都是1,O1O2 = 4 ,过动点P分别作圆O1 、圆O2的切线PM、PN(M、N分别为切点),使得PM = 2PN.试建立适当的坐标系,并求动点P的轨迹方程.解:以O1O2的中点O 为原点,O1O2所在的直线为x轴,建立平面直角坐标系,则O1(-2,0),O2(2,0)由已知PM = 2PN可得:PM2=2PN2因为两圆的半径均为1,所以PO12-1=2(PO22-1)设P(x,y),则(x+2)2-1=2[(x-2)2+ y2-1],即(x-6)2+ y2=33 所以所求轨迹方程为:(x-6)2+ y2=33(或x2+ y2-12x+3=0)评析:1、用直接法求动点轨迹一般有建系,设点,列式,化简,证明五个步骤,最后的证明可以省略,但要注意“挖”与“补”。
2、求轨迹方程一般只要求出方程即可,求轨迹却不仅要求出方程而且要说明轨迹是什么。
二、定义法题型:运用解析几何中一些常用定义(例如圆锥曲线的定义),可从曲线定义出发直接写出轨迹方程,或从曲线定义出发建立关系式,从而求出轨迹方程。
例2 已知 A、B、C 是直线 l 上的三点,且|AB|=|BC|=6,⊙O′切直线 l于点A,又过B、C 作⊙O′异于l 的两切线,于点 P,求点P 的轨迹方程.【解析】设过B、C异于l 的两切线分别切⊙O′ 两切线交于点 P.由切线的性质知:|BA|=|BD|, |CA|=|CE|,故A B C l |PB|+|PC|=|BD|+|PD|+|PC|=|BA|+|PE|+|PC|=|BA|+|CE|=|AB|+|CA|=6+12=18>6=|BC|,故由椭圆定义知,点P 的轨迹是以B、C为两焦点的椭圆,以l 所在的直线为x 轴,以 BC 的中点为原点,建立坐标系,22可求得动点P的轨迹方程为:x+y=181 72练习:已知圆 O的方程为 x2+y2=100,点 A 的坐标为(-6,0), M 为圆O 上任一点,AM 的垂直平分线交 OM 于点P,求点P 的方程。
解:由中垂线知,PA = PM故PA + PO = PM + PO = OM =10 ,即P点的轨迹为以 A、O为焦点的椭圆,中心为(-3,0),故 P 点的方程为(x +3)+ y =12525 16评析:定义法的关键是条件的转化——转化成某一基本轨迹的定义条件。
代入法题型:例 3 如图,从双曲线 x2-y2=1 上一点 Q 引直线 x+y=2 的垂线,垂足为 N 。
求线段 QN 的中点P 的轨迹方程。
解:设动点 P 的坐标为(x,y),点 Q 的坐标为(x1,y1)则 N ( 2x-x1,2y-y1 )代入 x+y=2, 得 2x-x1+2y-y1=2 ①又 PQ 垂直于直线 x+y=2,故1= 1 ,即 x-y+y1-x1=0 ②x-x3 1 1 3 由①②解方程组得x1= x + y -1, y1= x + y -1 , 代入双曲线方程即可得 P 点的轨迹方程是 2x2-2y2-2x+2y-1=0 练习:已知曲线方程 f(x,y)=0.分别求此曲线关于原点,关于 x 轴,关于 y 轴,关于直线 y=x,关于直线y=-x ,关于直线y=3 对称的曲线方程。
(f(-x,-y)=0,f(x,-y)=0,f(-x,y)=0,f(y,x)=0,f(-x,-y)=0,f(x,6-y)=0) 四、参数法与点差法题型:求轨迹方程有时很难直接找到动点的横坐标、纵坐标之间的关系,则可借助中间变量(参数),使x,y 之间建立起联系,然而再从所求式子中消去参数,得出动点的轨迹方程。
例 4 经过抛物线 y2=2p(x+2p)(p>0) 的顶点 A 作互相垂直的两直线分别交抛物线于 B、 C 两点,求线段 BC 的中点 M 轨迹方程。
解:A(-2p,0),设直线 AB 的方程为 y=k(x+2p)(k 0).与抛物线方程联立方程组可解得 B 点的坐标为( - 2 p, ) ,由于 AC 与 AB 垂直,则 AC 的方程为y = - (x + 2 p) ,与抛物线方程联立方程组可解得C点的坐标为(2k2p - 2 p,-2kp) ,又M为BC中点,设M(x,y),消去 k 得 y2=px,即点M 的轨迹是抛物线。
巩固与提高:1〉在平面直角坐标系 x Oy 中,抛物线 y=x 2上异于坐标原点 O 的 两不同动点 A 、B 满足AO ⊥BO (如图 4所示).求△AOB 的重心G (即三角形 三条中线的交点)的轨迹方程;解析】A (k ,k 2) ∵OA ⊥OB ,∴OB :y =- x 由y =-k x 解得B - , 2 y = x2 消去参数k 得重心G 的轨迹方程为y = 3x 2 + 2∵OA ⊥OB ∴k k =-1,即x x + y y = -1, (2)又点A ,B 在抛物线上,有y 1 = x 12,y 2 = x 22 ,代入(2)化简得x 1x 2 =-1∴y = 1 2 = (x 1 +x 2)= [(x 1 +x 2) -2x 1x 2]= (3x ) + =3x +2 所以重心为 G 的轨迹方程为 y = 3x 2 + 2 。
2〉如图,设抛物线C : y = x 2的焦点为F ,动点P 在直线l : x - y -2=0上运动, 过 P 作抛物线 C 的两条切线 PA 、PB ,且与抛物线 C 分别相切于 A 、B 两点.求 △APB 的重心 G 的轨迹方程.解析】设切点 A 、B 坐标分别为(x , x 02)和(x 1, x 12 )((x 1∴切线 AP 的方程为: 2x 0x - y -x 02=0; 切线BP 的方程为: 2x 1x - y - x 12 =0;解得 P 点的坐标为: x P = x 0 + x 1 , y P = x 0 x 1所以△APB 的重心G 的坐标为 x G = x 0 +x 1 +xP = x P ,y 0 + y 1 + y P x 02 +x 12 +x 0x 1 (x 0 +x 1)2 -x 0x 1 4x P - y p解法一:以OA 的斜率k 为参数由kx 2 解得 设△AOB 的重心G (x ,y ),解法二: x = 设△AOB 的重心为 G(x,y),A(x 1,y 1),B(x 2,y 2),则 y = x + x 3 y 1 + y 2 3 1)y G = 031 P = 0 130 1= 0 130 1= 3 ,所以y p =-3y G +4x G2,由点P 在直线l上运动,从而得到重心G 的轨迹方程为:x-(-3y+4x )-2=0,即y = 3(4x -x+2).评析:1. 用参数法求轨迹是高考中常考的重要题型,由于选参灵活,技巧性强,也是学生较难掌握的一类问题。