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高中數(shù)學(xué):向量垂直、共線在解析幾何中的應(yīng)用

 悟道談風(fēng)水 2020-02-28


高中數(shù)學(xué)人教版把平面向量作為處理平面問題的工具(如兩點(diǎn)距離公式,向量共線定理,向量垂直,定比分點(diǎn)坐標(biāo)公式,平移,夾角等)。
尤其是垂直與共線問題,使用向量垂直與向量共線比傳統(tǒng)方法簡單許多。

例1. 過定點(diǎn)A(a,b)任作互相垂直的兩直線,且軸交于M點(diǎn),軸交于N點(diǎn),求線段MN中點(diǎn)P的軌跡方程。
解:設(shè),由中點(diǎn)坐標(biāo)公式得
則向量
因?yàn)?/span>
所以
整理得

該解法避開斜率,不再分斜率存在和不存在兩種情況進(jìn)行討論,也就不存在丟掉斜率不存在的情況,同時(shí)也簡化了計(jì)算。該題的實(shí)質(zhì)是向量垂直的應(yīng)用。

例2. 設(shè)圓,過原點(diǎn)O作圓的任意弦,求所作弦的中點(diǎn)P的軌跡方程。
解:設(shè),圓心,則由圓的性質(zhì)知,則
所以
所以
整理得:

該解題法較多,但直接用斜率,仍需討論。利用向量垂直,簡單且不用討論。該題的實(shí)質(zhì)也是向量垂直的應(yīng)用。

例3. 已知橢圓,直線,P是上一點(diǎn),射線OP交橢圓于點(diǎn)R,又點(diǎn)Q在OP上且滿足。當(dāng)點(diǎn)P在上移動(dòng)時(shí),求點(diǎn)Q的軌跡方程,并說明軌跡是什么。
解:設(shè),由題意知不同時(shí)為零,則
因?yàn)?img doc360img-src='http://image109.360doc.com/DownloadImg/2020/02/2819/184064549_30_20200228073958472' data-ratio='0.66796875' data-type='gif' data-w='auto' _width='-30px' src='http://pubimage.360doc.com/wz/default.gif'>共線且向量同向
所以都是正數(shù)
上,
所以
整理得:
顯然在其上,但不滿足題意,應(yīng)舍去。
∴點(diǎn)Q的軌跡是以(1,1)為中心,長半軸長為,短半軸長為,且長軸與x軸平行的橢圓,去掉坐標(biāo)原點(diǎn)。

該題的實(shí)質(zhì)是向量共線的應(yīng)用。設(shè)出Q點(diǎn)坐標(biāo),利用共線得P和R的坐標(biāo)及向量關(guān)系,找到的關(guān)系,再利用點(diǎn)P在直線上,點(diǎn)R在橢圓上找到x,y關(guān)系,從而使問題得到解決。

例4. 已知橢圓的右準(zhǔn)線軸相交于點(diǎn)E,過橢圓右焦點(diǎn)F的直線與橢圓相交于A、B兩點(diǎn),點(diǎn)C在右準(zhǔn)線上,且軸。求證:直線AC經(jīng)過線段EF的中點(diǎn)。
證明:依題設(shè)得橢圓的半焦距c=1,右焦點(diǎn)為F(1,0),右準(zhǔn)線方程為,點(diǎn)E的坐標(biāo)為(2,0),EF的中點(diǎn)。
若AB垂直于x軸,則,
則AC中點(diǎn)為
即AC過EF中點(diǎn)N,若AB不垂直于x軸,由直線AB過點(diǎn)F,且由BC//x軸知點(diǎn)B不在x軸上,故直線AB的方程為
聯(lián)立,消去y得
設(shè)
,且
都在
所以
共線,故三點(diǎn)A、N、C共線,即直線AC經(jīng)過線段EF的中點(diǎn)N。

大多數(shù)同學(xué)能做到消元后得兩根之和與兩根之積,有的能得到AN與CN的斜率,但能證兩斜率相等的同學(xué)不多。因?yàn)橐C兩斜率相等,必先找到的關(guān)系,而該關(guān)系是通過兩根之和與兩根之積給出的,必須構(gòu)造出兩根之和與兩根之積:可通過作差去構(gòu)造,實(shí)質(zhì)是作差法證相等。
上面的解法中,我們利用直線AC過點(diǎn)N時(shí),三點(diǎn)A、C、N共線,利用向量共線定理充要條件,化簡后直接用到兩根之和與兩根之積,使問題解決。體現(xiàn)出向量共線定理直接給出坐標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系,不用我們?cè)偃プ鞑顦?gòu)造了。從而可見向量共線解決解析幾何問題的優(yōu)越性。

解析幾何中的垂直、共線問題,應(yīng)這樣用:垂直問題,先設(shè)坐標(biāo),利用數(shù)量積為零找坐標(biāo)聯(lián)系,再與兩根之和、兩根之積聯(lián)系起來去求,如,可設(shè),,則,則,聯(lián)立方程消元后用韋達(dá)定理求。共線問題,先設(shè)坐標(biāo),利用共線找坐標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系,結(jié)合韋達(dá)定理求。尤其是那些隱性的共線關(guān)系,一定要先化簡找到共線關(guān)系再去求。定比分點(diǎn)問題的實(shí)質(zhì)也是共線問題。

解析幾何中的垂直、共線問題,可以用老教材中的傳統(tǒng)方法,也可以用向量垂直、向量共線這些方法,不僅可省去某些討論(如斜率存在不存在),也可直接抓住坐標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系,不用我們?cè)偃ベM(fèi)盡心血去構(gòu)造了。

▍ 來源:綜合網(wǎng)絡(luò)

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