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),(),,(2211y x B y x A 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。
)()()(0)(.2为参数又可用参数方程表示程轨迹方程既可用普通方t t g y t f x ,y x ,F ⎩⎨⎧=== 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122=+y x ,动点M 到圆C 的切线长与MQ 的比等于常数)0(>λλ,求动点M 的轨迹。
解:设MN 切圆C 于N ,则222ON MO MN-=。
设),(y x M ,则2222)2(1yx y x +-=-+λ化简得0)41(4))(1(22222=++-+-λλλx y x (1)当1=λ时,方程为45=x ,表示一条直线。
(2)当1≠λ时,方程化为2222222)1(31)12(-+=+--λλλλy x 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1O 与圆2O 的半径都是1,421=O O ,过动点P 分别作圆1O 、圆2O 的切线PM 、PN (M 、N 分别为切点),使得PN PM 2=.试建立适当的坐标系,并求动点P 的轨迹方程.解:以21O O 的中点O 为原点,21O O 所在的 直线为x 轴,建立平面直角坐标系, 则)0,2(),0,2(21O O - 由已知PN PM 2=可得:222PN PM =因为两圆的半径均为1,所以)1(212221-=-PO PO设),(y x P ,则]1)2[(21)2(222-+-=-+y x x ,即33)6(22=+-y x 所以所求轨迹方程为:33)6(22=+-y x (或031222=+-+x y x )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,设这两切线交于点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 ′于D 、E 两点, 两切线交于点P.由切线的性质知:|BA|=|BD|,|PD|=|PE|,|CA|=|CE|,故|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,可求得动点P 的轨迹方程为:2218172x y += 练习: 已知圆O 的方程为 x 2+y 2=100,点A 的坐标为(-6,0),M 为圆O 上任一点,AM 的垂l O ' P EDC B A直平分线交OM 于点P ,求点P 的方程。
解:由中垂线知,PM PA =故10==+=+OM PO PM PO PA ,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1251625)3(22=++y x 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。
三、代入法题型:例3 如图,从双曲线x 2-y 2=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(x 1,y 1) 则N ( 2x-x 1,2y-y 1)代入x+y=2,得2x-x 1+2y-y 1=2 ① 又PQ 垂直于直线x+y=2,故111=--x x y y ,即x-y+y 1-x 1=0 ②由①②解方程组得12321,1212311-+=-+=y x y y x x , 代入双曲线方程即可得P 点的轨迹方程是2x 2-2y 2-2x+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y 2=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)2,22(2k p p kp -,由于AC 与AB 垂直,则AC 的方程为)2(1p x k y +-=,与抛物线方程联立方程组可解得C 点的坐标为)2,22(2kp p p k --,又M 为BC 中点,设M (x,y ),则⎪⎩⎪⎨⎧-=-+=kpk py p p k k p x 222,消去k 得y 2=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】解法一:以OA 的斜率k 为参数由{2y kxy x ==解得 A (k ,k 2) ∵OA ⊥OB ,∴OB :1y x k =-由21y x k y x⎧⎪=-⎨⎪=⎩解得B 211,k k ⎛⎫- ⎪⎝⎭ 设△AOB 的重心G (x ,y ),则22113113x k k y k k ⎧⎛⎫=- ⎪⎪⎪⎝⎭⎨⎛⎫⎪=+ ⎪⎪⎝⎭⎩消去参数k 得重心G 的轨迹方程为2233y x =+解法二:设△AOB 的重心为G(x,y),A(x 1,y 1),B(x 2,y 2),则⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+=332121y y y x x x (1)∵OA ⊥OB ∴1-=⋅OB OA k k ,即12121-=+y y x x , (2)又点A ,B 在抛物线上,有222211,x y x y ==,代入(2)化简得121-=x x∴32332)3(31]2)[(31)(3132221221222121+=+⨯=-+=+=+=x x x x x x x x y y y 所以重心为G 的轨迹方程为3232+=x y 。
2〉如图,设抛物线2:x y C =的焦点为F ,动点P 在直线02:=--y x l 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))((,(),(012112x x x x x x ≠和, ∴切线AP 的方程为:;0220=--x y x x 切线BP 的方程为:;02211=--x y x xO GBAyxPl解得P 点的坐标为:1010,2x x y x x x P P =+=所以△APB 的重心G 的坐标为 P PG x x x x x =++=310, ,343)(3321021010212010pP P G y x x x x x x x x x y y y y -=-+=++=++=所以243G G p x y y +-=,由点P 在直线l 上运动,从而得到重心G 的轨迹方程为:).24(31,02)43(22+-==-+--x x y x y x 即评析: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。