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教学科研

剖析二次曲线的切线方程的结构
江苏省淮安市楚州中学

姚善志

求圆、椭圆、双曲线、抛物线的切线方程,思路明确,但其计算量,往往令人“算而却步”,下面就上述四种曲线,来剖析它们切线方程的结构特征,以飨读者。

对于二次函数的切线方程我们是会求的,如求曲线y=px2p0)在点(x0y0)处的切线方程。斜率k= f(x0)=2px0,由点斜式知:切线方程为y-y0=2px0(x-x0) = px·x0,即把原函数表达式中的y换成 x2换成x·x0 .

而对于圆x2+y2=1在点(x0y0)处的切线方程求法如下:设切点为(x0y0)切线上一动点P(x,y),由 知: · =0,所以有 整理得: ,即是把原方程中x2换成 y2换成 那么椭圆的切线方程在结构上也有这样的规律吗?求椭圆 a>b>0)在点(x0y0)处的切线方程。现在用函数的函数来求切线方程,不妨设切点T(x0y0)是第一象限的点,则由 y= 得:切线斜率为k= ,切线方程为yy0= (xx0)其中: = ,代入切线方程得:yy0= xx0 a2y0ya2y02=b2x0x+b2x02 a2y0y+b2x0x=a2y02+b2x02两边同时除以a2·b2得: =1.惊人的妙合:椭圆的切线方程也是把x2换成阿x0·xy2换成y0·y.

对抛物线来说开口向上、开口向下对应的是二次函数,上面已经证明,那么开口向左、向右的呢?以开口向右为例:求抛物线y2=2px(p>0)在点(x0,y0)处的切线方程。不妨设点(x0,y0)在第四象限,则y= ,因而切线斜率为k= ,切线方程为 整理得: 即: y0y=px-px0+y02 y0y=p(x+x0),切线方程的结构也为把平方项y2换成y0y,把一次项x换成 。最后来检验这种结构替换是否适用于双曲线,设双曲线 a>0,b>0),点T(x0,y0)是双曲线上在第一象限内的一点,求在点T(x0,y0)处的切线方程。由原方程得 (因为在第一象限),求得 切线斜率 ,切线方程为 变形为 b2x0xa2y0y=b2x02a2y02两边同除以a2·b2 ,也符合上述替换。

由上面的推导过程我们可以得到这样的定理:二次曲线(圆、抛物线、椭圆、双曲线)在点(x0,y0)处的切线方程为:把原方程中的二次项x2换成x0·xy2换成y0·y;把一次项x换成 y换成 ,所得关于xy的一次方程即为切线方程

现举三例来说明此定理的正确性及其作用

例一:过点P(1,3)作圆C(x1)2(y2)2=4的切线,切点为AB,求直线AB的方程

分析:老方法是:因PCAB四点共圆,新圆圆心( )即(0 )半径r= ,则新圆方程为 ,两圆方程相减即得直线AB的方程:2xy4=0。现在我们用上述定理来求直线AB的方程。圆方程化为x22xy24y+1=0,若切点为(x0,y0)则切线方程为:x0x(x0x) yy02y2y01=0整理得:(x1)x0(y2)y0x2y1=0,设点A坐标为(x1,y1)且切线过点(1,3)得:-2x1y14=0B点坐标(x2,y2)且过点(1,3)得切线方程为-2x2y24=0。由这两个方程的结构再根据两点确定一条直线:点(x1,y1)(x2,y2)都在-2xy4=0上,故过点AB的直线方程为2xy4=0两种方程结果一致。

2:在抛物线y2=4x上求一点P,使点P到点A(1,14)的距离最短

分析:设点P(x0,y0),当抛物线在点P处的切线:y0y=2(x0x)与直线AP垂直时距离最短,故有 y0312y0112=0 (y04)(y024y028)=0y0=4故切点为(44),此时|AP|的最小值为5

3:设点P为直线lx=2上任意一点,过点P作椭圆 的切线,切点分别为AB,求线段AB长的取值范围。

分析:设A(x1,y1)B(x2,y2)P(2,y0),则椭圆在点A处的切线方程为 ,代入点P(2,y0)得:x1+y0y1=1,同理椭圆在点B处的切线方程为 ,代入点P(2,y0)得:x2+y0y2=1,比较两个切线方程结构知:直线AB的方程为x+y0y=1,联立直线AB的方程与椭圆方程得

|AB|2=(x1x2)2(y1y2)2=y02(y1y2)2(y1y2)2

=(y021)[(y1y2)24y1y2]=

=4(y02+1)· =8 =8(1 )2

y02+2 AB2 ,因而 |AB|<2

同行们,记住上面的定理了吗?它真是太妙了!

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