簡化解析幾何運算方法

2021-07-11 11:57:10 字數 4210 閱讀 8178

解析幾何的本質特徵是幾何問題代數化,就是將抽象的幾何問題轉化為易於計算的代數問題,這提供了許多便利;但也不可避免地造成許多計算的繁瑣,同時對運算能力提出較高要求。其實,只要有簡化運算的意識,注意探索簡捷運算的技巧,並適時進行有關的規律總結,許多較為繁瑣的計算過程是可以簡化甚至避免的。

1.回歸定義

圓錐曲線的定義是圓錐曲線的本質屬性。許多美妙而有趣的性質和結論都是在其定義的基礎上展開的,在分析求解時若考慮回歸定義,可以使許多問題化繁為簡。

例1 過橢圓左焦點傾斜角為的直線交橢圓於點且,則此橢圓離心率為

解析本題的常規解法是:聯立再結合條件求解,運算量大,作為填空題,不划算!如圖1,考慮使用橢圓的定義和有關平面幾何性質來求解:

,另一方面,在中,

故於是,

又,所以可得

例2 一種酒杯是拋物線繞軸旋轉而成的,將長為的玻璃棒(質地均勻)隨意的放入酒杯內(杯壁足夠高,能沒入玻璃棒),試確定玻璃棒的平衡位置。

解析:確定平衡位置即求玻璃棒中點到軸距離的最小值,

如圖2,應用拋物線的定義進行簡捷求解:當時弦

可以經過焦點,如圖2所示:,所以

顯然當時平行於軸時最小為

2.活用平幾性質

解決解析幾何的運算問題,往往需要求解涉及含多個引數的兩個以上方程組成的方程組,運算較為複雜,運算能力稍差的同學難以準確迅速求解,甚至半途而廢;若能聯想題目所涉及圖形的幾何性質,並利用有關幾何性質來解決問題,常常可以峰迴路轉,收簡捷巧妙解題之效果.

例3 已知點到兩定點的距離比為,點到直線的距離為1,求直線的方程。(02年全國高考題)

解析本題若按常規做法為: 設,則的方程為,

即,於是

又(注:滿足上述條件的點的軌跡為阿波羅尼奧圓即圓)

將代入可得,於是

因此直線的方程為

若能進一步觀察題設條件:如圖3,在中斜邊,直角邊

可得,在中由正弦定理得

於是因此直線的方程為

評注:本題為02年全國高考文科第21題,分值為14分,重點考查學生通過聯立消參解方程組的運算能力,對文科學生的運算能力提出了較高的要求;通過上述通法與巧法對比,讀者容易看出:運用平面圖形的有關幾何性質來分析解決一些解析幾何的問題,可以有效地避免複雜的解幾運算,以達簡捷解題之目的。

例4 某人在一山坡處**對面山頂上的一座鐵塔,如圖4所示,塔高公尺,塔所在的山高公尺,公尺,圖中所示的

山坡可視為直線且點在直線上,與水平地面的夾角為

,試問此人距離水平地面多高時,**塔的視角

最大(不計此人身高)?(05年天津卷高考題)

解析解析法可詳參高考評分標準,

這裡給出利用平面幾何知識的簡捷解法:

如圖5,作圓過點且與直

線相切,切點的縱座標即為所求。

設直線與軸交於點,則易

得由圓冪定理得

於是為所求.

注:這道源於生活實際的高考試題,具有深厚的科學背景---**於幾何學史上著名的公尺勒問題:「設點是銳角的一邊上的兩點,試在邊上找一點,使得最大。」

如圖6,其結論是:點為過兩點且和射線相切的圓的切點(證明略)

以公尺勒問題為背景改造的高考題和競賽題還有

04年全國聯賽題第12題:在平面直角座標系中,給定兩點,點在軸上移動,當取最大時,點的橫座標為

05年浙江卷理第17題:如圖7,已知橢圓的中心

在座標原點,焦點在x軸上,長軸的長為4,

左準線與x軸的交點為m,|ma1|∶|a1f1|=2∶1.

(ⅰ)求橢圓的方程;(ⅱ)若直線:x=m(|m|>1),p

為上的動點,使最大的點p記為q,求點q的

座標(用m表示)(文科為:若點p為上的動點,求∠f1pf2最大值)

上述試題若使用圓冪定理來求解,都極為簡單(略)。

例5 已知內接於圓的的頂點為,求的重心的軌跡方程。

解析本題若設,則有,,

,,再由夾角公式得,

由以上5個等式消去引數得。

值得注意的是:消參具有很高的技巧,一般學生難以做到!這裡給出以下做法:

如圖8,設為的中點,鏈結,則由得故點的軌跡方程為

設重心, , 則

代入式可得.

下面用運動變化的觀點考察點的橫座標的取值範圍:如圖9,點運動的極限位置是,這時,於點,則且,作於點得點最靠左的位置為時,此時於是解得

故所求軌跡方程為

注 1本題若用三角法可解如下:設,

由知,設則

,於是。

又而,,

故所求軌跡方程為

2 若是用通法,結合圖形的幾何性質可簡解如下:

由,,,

得而由得,

故。(限制變數的取值範圍方法同上)

3.數形結合

對於某些幾何特徵比較明顯的問題,常可從分析圖形本身所固有的幾何特徵入手,或從運動變化的觀點來分析考察圖形中某些量的變化規律,往往可簡捷獲解。

例6是已知橢圓上的兩點,線段垂直平分線與軸交於點,求證:(92年全國卷)

簡析著眼於尋求「線段垂直平分線」的幾何意義,可考慮構造圓

(如圖10)①,

它與橢圓②有四個不同交點(或3個,

當之一為長軸端點時),由①②消去得

-③,方程③有兩個不同實根,則,即。

,又, .

例7 設點,動點在橢圓上且滿足

,試求的取值範圍。

解析本題簡捷的解法是從數形結合的角度用運動

變化的觀點進行考察:如圖11所示,三點共線,當

時為最小;將直線繞點逆時針旋轉至相切(重合)有;迴轉至有為最大,故有

4.巧設引數

若涉及較為複雜的動點關係,可以通過設定引數溝通其聯絡。如何巧設引數?應視題目具體特點而定,或多或少,並講究消參技巧。如上例7:

設,則,,

, 代入式得

又,即解得

注:本題解題過程中涉及5個引數,從上述解答過程不難看出講究消參的技巧對於簡捷解題的指導作用。通過巧設引數進行嚴密推理,可看上例2:

設:代入得

,, 即

又 ,

, , ,

即 ,

令得(1)若即(通徑長)則當且僅當即時,,即,,這時玻璃棒過焦點

(2)若,即則在單調遞增,當且僅當即時,,這時0,,玻璃棒呈水平狀態(垂直於軸).

總上可知,當棒長時平衡位置為軸上方處的平面上,以點為圓心,以為半徑長的圓;當棒長時,玻璃棒放置呈水平狀態,平衡位置在點0,處。

與此問題相關的二則高考題:

1.長度為4的線段的兩個端點在拋物線上移動,試求線段的中點到軸距離的最小值。(87年全國高考題)

本題正是例2在的特殊情況:此時

2.如圖12,點為拋物線上的一點,直線過點

並與拋物線在點處的切線垂直,與拋物線相交於另一

點(ⅰ)當點的橫座標為2時,求直線的方程;

(ⅱ)當點在拋物線上移動時,求線段中點的軌跡

方程,並求點到軸的最短距離。(04年福建卷文科第21題)

(答案為(ⅰ)(ⅱ))

5.平方差法

與對稱、弦的中點等有關的問題,常考慮設而不求(或稱「平方差法」)。如上例6:

設,,ab的中點為,

則,,二式相減得

, 則直線l的方程為令得

又,所以。

6.引入向量

用向量形式敘述題設條件,或引入向量分析解決解析幾何問題,已經成為處理解幾問題的基本方法,也是高考設計試題考查相關能力的一大特點。

例8 已知橢圓,直線l:,p是l

上一點,射線op交c於點r。又點q在射線op上且滿足:

,當點p在l上移動時,求點q的軌跡方程。

解析本題若用一般方法求解,需要引入5個引數,還

要討論去絕對值,詳參2023年全國高考評分標準。若引入向量法求解,則直觀而簡易:

如圖13,設

將r,p點的座標分別代入c,l的方程可得,

,消去得即為所求。

7.重新建系

選取恰當的座標系,本意即為簡捷巧妙解決問題而設。在涉及與圓錐曲線的焦半徑或焦點弦長度有關的問題時,可以考慮建立極座標系進行簡捷求解。如上述例1,以點f為極點以射線fx為極軸重新建立極座標系,可設此橢圓的極座標方程為根據題意得,故有

8.優化通法

通性通法應用廣泛,是解決問題最基本而又最常規的方法。回歸通法,是最起碼的訓練要求;況且巧法通過不斷強化就可以成為通法;通法做到底,也能有新意!而且熟能生巧,通法常常是產生新思想新解法的基石。

如上例7,我們已運用數形結合、設參消參方法予以解決,若再求兩點重合時點的座標,上述兩法就難以奏效了,可考慮通法:

設直線的方程為,代入並整理得

,由得代入得

再代入得

由得即當不存在時或5。於是為所求。

減少解析幾何運算量的若干方法

在解決有些解析幾何問題時,如果方法選擇不當,往往導致計算量過大,如果不具備較高的解幾運算能力,就不易得到正確的運算結果。那麼如何正確地選擇方法,減少解析幾何題的計算量呢?下面介紹幾種減少計算量的常用方法。一 回歸定義,以簡馭繁 圓錐曲線的許多性質是由定義派生出來的。解題時,應善於運用圓錐曲線的定義,...

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高考專題 解析幾何常規題型及方法 高考核心考點 1 準確理解基本概念 如直線的傾斜角 斜率 距離 截距等 2 熟練掌握基本公式 如兩點間距離公式 點到直線的距離公式 斜率公式等 3 熟練掌握求直線方程的方法 如根據條件靈活選用各種形式 討論斜率存在和不存在的各種情況 截距是否為0等等 4 在解決直線...

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