高中数学中的圆锥曲线最实用的推论有哪些?韦达定理的主要公式和变化有什么用?

高中数学中的圆锥曲线最实用的推论有哪些?韦达定理的主要公式和变化有什么用?

在处理直线与圆锥曲线相关问题如:直线与圆锥曲线的位置关系、弦长问题、面积问题等,常常将直线方程与圆锥曲线方程联立得到一个二(一)次方程,然后根据二(一)次函数的相关性质进行求解。

本文首发于如下公众号:数学那些事Sunsnow。

对于联立结果为一元二次方程的,一般应用一元二次方程的韦达定理进行相应计算,因此本文将对韦达定理在圆锥曲线中的应用作以介绍,同时给出相关结论及例题加深理解。

在初中,我们便学过一元二次方程的韦达定理,即在实数范围内,若一元二次方程有两个实数根和,则有如下关系成立

该结论证明起来有很多方法,一种证明过程如下。由于和是方程的两个根,因此有

两边同乘二次系数得

展开有

显然

上述关系便称为一元二次方程的韦达定理。

设直线方程为(和不同时为零),圆锥曲线方程为,那么联立两方程消去(或)便会得到一个关于(或)的一元方程。即有

下面以消去为例进行分析。记联立后的方程为

本文均假设,即直线与圆锥曲线有两个交点,因为若只有一个交点或无交点,该方程很容易求解,在此不做详细介绍。

结合第1小节描述便可发现,如果能够将直线方程与圆锥曲线方程联立得到一个一元二次方程,那么与这两个交点相关的问题便能够利用韦达定理进行化简。下面做详细推导分析。

注:若直线斜率不存在或斜率,则弦长非常容易计算,因此不做详细推导,在具体题目中分类讨论即可。

如下图,设斜率存在且为()的直线与圆锥曲线相交于、两点,设点坐标为,点坐标为,那么有弦长度为

证明:首先,由两点距离公式知

由于直线斜率为,则有

因此

同时

因此弦长又可表示为

由此可见,不需要求出和两点的具体值,只需要将其联立便可求得直线与圆锥曲线的交点弦长。

如下图所示,过椭圆焦点的斜率存在且为()的直线与椭圆 相交于、两点,且点坐标为,点坐标为。则的面积为

证明:的面积可计算如下

由于线段过椭圆焦点,因此与异号,则有

那么有

同时也可表示为

那么联立后根据韦达定理即可计算出的面积。

如下图所示,延长线过双曲线焦点的斜率存在且为()的直线与双曲线相交于、两点,且点坐标为,点坐标为。则的面积为

证明:的面积可计算如下

由于线段延长线过双曲线焦点,因此与同号,则有

那么有

同时也可表示为

那么联立后根据韦达定理即可计算出的面积。

如下图所示,过抛物线焦点的斜率存在且为()的直线与抛物线 相交于、两点,直线倾斜角为,且点坐标为,点坐标为。则的面积为

证明:的面积可计算如下

由于线段过抛物线焦点,因此与异号,则有

那么有

同时也可表示为

那么联立后根据韦达定理即可计算出的面积。下面联立进行求解,可得到另一种形式简洁的面积公式。联立

消去得

则根据韦达定理有

因此的面积为

又因为,代入上式得

题 已知、分别为椭圆 的左、右顶点,为上顶点,。为直线上的动点,与的另一交点为,与的另一交点为。

(1) 求的方程。

(2) 证明:直线过定点。

解:第(1)问直接将、及坐标写出来,代入即可解出,即的方程为,此处略去过程。

(2)设点坐标为,则直线方程为

联立直线及椭圆得

由韦达定理

由于,因此,代入直线方程得,即点坐标为;同理可得点坐标为。

下面用两种方法计算该定点坐标。

法1:由于点坐标为;点坐标为。设直线过定点,即有方程为

其中直线斜率为

将点和点坐标带入得

联立上述方程得

当时,若取时,恒有,即直线过定点;当时,,此时直线也过点,因此此题得证。

该方法计算量较大,可按如下思路进行求解。

法2:由于点选取是关于轴对称的,因此该定点必关于轴对称;又因为直线只能过一定点(若是过两定点,则直线便唯一确定了,不符合题意),因此该点必在轴上。下面设该点坐标为,则由得

解得。因此直线过定点,此题得证。

通过直线与圆锥曲线方程的联立,可得到一个一元函数,当其为一元二次方程时,可根据韦达定理进行相关运算,如弦长计算、面积计算等;对于一般题目而言,利用韦达定理可得到相关等式关系,使得原问题更方便求解。若直线斜率不存在或斜率,则弦长及面积非常容易计算,只需在具体题目中分类讨论。