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=px2(p≠0)在点(x0,y0)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 把x2换成x·x0 .
而对于圆x2+y2=1在点(x0,y0)处的切线方程求法如下:设切点为(x0,y0)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(x0,y0)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(x0,y0)是第一象限的点,则由 得y= , 得:切线斜率为k= ,切线方程为y-y0= (x-x0)其中: = ,代入切线方程得:y-y0= (x-x0) a2y0y-a2y02=-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·x,y2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= 故 ,因而切线斜率为k= ,切线方程为 整理得: 即: 得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 b2x0x-a2y0y=b2x02-a2y02两边同除以a2·b2得 ,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·x,y2换成y0·y;把一次项x换成 ,y换成 ,所得关于x、y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:(x-1)2+(y-2)2=4的切线,切点为A、B,求直线AB的方程
分析:老方法是:因P、C、A、B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:2x-y+4=0。现在我们用上述定理来求直线AB的方程。圆方程化为x2-2x+y2-4y+1=0,若切点为(x0,y0)则切线方程为:x0x-(x0+x) +yy0-2y-2y0+1=0整理得:(x-1)x0+(y-2)y0-x-2y+1=0,设点A坐标为(x1,y1)且切线过点(-1,3)得:-2x1+y1-4=0,B点坐标(x2,y2)且过点(-1,3)得切线方程为-2x2+y2-4=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-2x+y-4=0上,故过点A、B的直线方程为2x-y+4=0两种方程结果一致。
例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(x0+x)与直线AP垂直时距离最短,故有 y03+12y0-112=0 (y0-4)(y02+4y0+28)=0有y0=4故切点为(4,4),此时|AP|的最小值为5 。
例3:设点P为直线l:x=2上任意一点,过点P作椭圆 的切线,切点分别为A、B,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 得
由|AB|2=(x1-x2)2+(y1-y2)2=y02(y1-y2)2+(y1-y2)2
=(y02+1)[(y1+y2)2-4y1y2]=
=4(y02+1)· =8 =8(1- )2
由y02+2∈ 知 故AB2∈ ,因而 ≤|AB|<2
同行们,记住上面的定理了吗?它真是太妙了!