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圆锥曲线中的对称问题

圆锥曲线中的对称问题

作者: 天马无空 | 来源:发表于2021-04-13 09:22 被阅读0次

    在直线与圆锥曲线的位置关系中,常出现这样一类问题:一个圆锥曲线上存在两点关于某直线对称,求方程中参数的范围. 这类问题涉及的知识面广,解题灵活性大,是高考中的一个热点和难点. 因此,掌握这类问题的解法是必要的和重要的.

    方法一 判别式法

    判别式法解圆锥曲线中存在点关于直线对称问题

    使用情景:圆锥曲线中存在点关于直线对称问题
    解题步骤:

    第一步 假设这样的对称点AB存在,利用对称中的垂直关系设出两点AB所在的直线方
    程;
    第二步 联立AB所在直线方程与圆锥曲线方程,求出中点C的坐标;
    第三步 把C的坐标代入对称直线,求出两个参数之间的等式;
    第四步 利用联立后方程的\Delta求出其中需求参数的范围.
    例1. 已知椭圆C:3x^2+4y^2=12,试确定m的取值范围,使得对于直线l:y=4x+m,椭圆C上有不同两点关于这条直线对称.

    解析:设存在两点A(x_1,y_1)B(x_2,y_2)关于l对称,中点为C(x_0,y_0)

    AB所在直线为y=-\dfrac{1}{4}x+b

    与椭圆联立得:\dfrac{13}{4}x^2-2bx+4b^2-12=0

    所以\therefore \begin{cases}x_0=\dfrac{x_1+x_2}{2}=\dfrac{4b}{13}\\y_0=\dfrac{y_1+y_2}{2}=\dfrac{-\dfrac{1}{4}x_1+b-\dfrac{1}{4}x_2+b}{2}=\dfrac{12b}{13}\end{cases}

    \because Cy=4x+m

    \because \dfrac{12b}{13}=\dfrac{4b}{13} \times 4 +mb=-\dfrac{13m}{4}

    \because \Delta=4b^2-4 \times\dfrac{13}{4}(4b^2-12)=4b^2-52b^2+13 \times 12>0

    b^2 <\dfrac{13}{4},即\dfrac{169m^2}{16}<\dfrac{13}{4}

    解得:-\dfrac{2\sqrt{13}}{13}<m<\dfrac{2\sqrt{13}}{13}.
    【总结】对于此类问题有第一种解法,即抓住两点对称中体现的两要点:垂直(斜率之积为-1)和两点连线中点在对称直线上,至于参数的范围则是由联立后方程的\Delta产生.

    例2、在以O为原点的直角坐标系中,点A(4,-3)\triangle OAB的直角顶点,已知|AB|=2|OA|,且点B的纵坐标大于零.
    (1)求向量\overrightarrow{AB}的坐标;
    (2)求圆x^2-6x+y^2+2y=0关于直线OB对称的圆的方程;
    (3)是否存在实数a,使抛物线y=ax^2-1上总有关于直线OB对称的两个点?若不存在,说明理由;若存在,求a的取值范围.
    【解析】
    (1)设\overrightarrow{AB}=(u,v)

    则由\begin{cases}|\overrightarrow{AB}|=2|\overrightarrow{OA}|\\\overrightarrow{AB}\cdot \overrightarrow{OA}=0\end{cases},得\begin{cases}u^2+v^2=100\\4u-3v=0\end{cases}.
    解得\begin{cases}u=6\\v=8\end{cases}, 或\begin{cases}u=-6\\v=-8\end{cases}.
    ∵\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{AB}=(u+4,v-3)

    ∴v-3>0
    v=8,故\overrightarrow{AB}=(6,8).

    (2)由\overrightarrow{OB}=(10,5),得B(10,5),于是直线OB的方程为y=\dfrac{1}{2}x

    由题设可知圆的标准方程为(x-3)^2+(y+1)^2=10

    所以圆心(3,-1),半径为\sqrt{10}

    设圆心(3,-1)关于直线OB的对称点为(x,y)

    \begin{cases}\dfrac{x+3}{2}-2\cdot\dfrac{y-1}{2}=0\\\dfrac{y+1}{x-3}=2\end{cases},解得\begin{cases}x=1\\y=3\end{cases}

    故所求圆的方程为(x-1)^2+(y-3)^2=10

    (3)设P(x_1,y_1)Q(x_2,y_2)为抛物线上关于直线OB对称的两点,

    则:\begin{cases}\dfrac{x_1+x_2}{2}-2\cdot\dfrac{y_1+y_2}{2}=0\\\dfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=2\end{cases}, 整理得:\begin{cases}x_1+x_2=-\dfrac{2}{a}\\x_1x_2=-\dfrac{5-2a}{2a^2}\end{cases}
    x_1x_2为方程x^2+\dfrac{2}{a}+\dfrac{5-2a}{2a^2}=0的两个相异实根.
    于是由\Delta=\dfrac{4}{a^2}-4\cdot \dfrac{5-2a}{2a^2}>0,得a>\dfrac{3}{2}.
    故当a>\dfrac{3}{2}.时,抛物线y=ax^2-1上总有关于直线OB对称的两点.
    【总结】关于直线的对称圆的半径不变,只有圆心不同,所以欲求对称圆方程,只需求其圆心,即已知圆圆心的关于直线的对称点即可;若曲线上存在关于直线OB的对称两点,则该两点的连线与曲线有两相异交点,即判别式大于零,由此即可求出a的取值范围.

    方法二 点差法

    点差法解圆锥曲线中存在点关于直线对称问题

    使用情景:圆锥曲线中存在点关于直线对称问题
    解题步骤:

    第一步 设出两点和中点坐标(x,y)
    第二步 用“点差法”根据垂直关系求出xy满足的关系式;
    第三步 联立直线方程,求出交点,即中点;
    第四步 由中点位置及对应范围求出参数取值范围.

    例3、若抛物线y=ax^2-1上总存在关于直线x+y=0对称的两点,求a的范围.
    解析:如图,设A(x_1,y_1)B(x_2,y_2)是抛物线上关于直线x=-y对称的两点,则AB的方程可设为y=x+b

    解方程组:\begin{cases}y=x+b\\y=-x\end{cases}AB中点C的坐标\left(-\dfrac{b}{2},\dfrac{b}{2}\right)

    联立\begin{cases}y=ax^2-1\\y=x+b\end{cases}消去yax^2-x-(b+1)=0……(*)

    依题意(*)式\Delta=1+4a(b+1)>0,且\dfrac{x_1+x_2}{2}=\dfrac{1}{2a}=-\dfrac{b}{2}

    \therefore ab=-1,再由\Delta>0a>\dfrac{3}{4}

    解法二:

    曲线y=ax^2-1关于直线x+y=0对称曲线方程为:-x=ay^2-1

    解方程组:\begin{cases}y=ax^2-1\\-x=ay^2-1\end{cases} \Rightarrow y+x=a(x^2-y^2)

    ∵x+y≠0

    ∴y=x-\dfrac{1}{a}

    代入y=ax^2-1得关于x的二次方程:a^2x^2-ax+(1-a)=0

    \Delta >0a>\dfrac{3}{4}

    【总结】:这种方法巧之处在于利用抛物线方程的一次式设点,利用斜率和中点关系求出两根之和、两根之积,构造方程,利用\Delta求出参数范围.
    当然,不管是两种解法还是针对抛物线的特殊法,都无非紧紧抓住两点关于直线对称所产生的垂直及中点问题,不过在有关范围关系式的产生上有差别.

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