二次曲线极点极线的定义与性质及其在高中解析几何问题中的应用

发表时间:2020/7/28   来源:《中小学教育》2020年3月第7期   作者:许作舟
[导读] 本文通过对数道典型例题解析,阐述二次曲线极点极线的定义与性质,及其在高中解析几何问题,尤其是圆锥曲线定点定值问题中的应用。
        摘要:二次曲线的极点极线是射影几何中的重要概念,它具有许多重要的几何性质,近年来许多高考解析几何题的命题思路也基于这一数学背景。本文通过对数道典型例题解析,阐述二次曲线极点极线的定义与性质,及其在高中解析几何问题,尤其是圆锥曲线定点定值问题中的应用。
        关键字:二次曲线,极点极线,圆锥曲线,定点定值问题
       
        二次曲线的极点极线是射影几何中的重要概念,它具有许多重要的几何性质,近年来许多高考解析几何题的命题思路也基于这一数学背景。下面以椭圆为例,引出二次曲线极点极线定义与若干性质。
        已知椭圆,称点和直线为椭圆的一对极点极线,为的极线,为的极点。
①切线性质:
若点在椭圆上,则椭圆在点处的切线就是的极线(与椭圆相切);
若点在椭圆外,过点作椭圆的两条切线,切点分别为,则就是的极线(与椭圆相交);
若点在椭圆内,过点作任意直线交椭圆于两点,过分别为作椭圆的两条切线交于点,则点的轨迹就是的极线(与相离);
确定直线的极点可逆用上述方法。
②对偶性质:点的极线上任一点的极线必过;反之,过直线的极点的任一直线的极点必在上。
③焦点-准线性质:椭圆焦点及其对应准线为一对极点极线;椭圆的右准线上的一点对应的极线经过右焦点,且有。

④中点弦性质:以为中点的弦与的极线斜率相同。
⑤自极三角形性质:过点作两直线分别交椭圆于四点,即,设,,则形成三对极点极线:,,,称为椭圆的一个自极三角形。
⑥调和性质:过点作直线交椭圆于两点,交的极线于点,则有。
   
自极三角形        射影性质
        上述定义及性质可推广至任意二次曲线(包括圆、椭圆、双曲线、抛物线):
        已知二次曲线,称点和直线 为曲线的一对极点极线,为的极线,为的极点。
        如:抛物线的一对极点极线是和。
        例1(2010湖北文15)已知椭圆的两个焦点,点满足,则的取值范围是________,直线与椭圆的公共点的个数是________.
        解析:该题第二空中,点和直线恰为已知椭圆的一对极点极线,条件告诉我们点在椭圆内,故由性质①我们可以马上判断出直线与椭圆相离,即公共点个数为0。


        例2  已知抛物线和直线,过直线上任一点作抛物线的两条切线,为切点.
        (1)直线是否恒过定点?若是,请求出该定点坐标;若否,请说明理由.
        (2)求面积的最小值.
        解析:在解决这类“是否恒过定点”的问题时,若能事先准确判断是或否并猜想出定点位置,对解题方向的准确把握和解题思路的正确形成有重要的意义。事实上,由于恰为已知抛物线的准线,由性质③我们可以知道和为该抛物线的一对极点极线,必恒过焦点,且,这样就有了解题的方向。特别是(2),既然,那么显然当在准线与轴的交点处时,和均取得最小值,于是面积即也得最小值。
        例3(2014广州二模20)已知定点和直线,过点且与直线相切的动圆圆心为点,记点的轨迹为曲线.
        (1)求曲线的方程;
        (2)若点的坐标为,直线与曲线相交于两点,直线分别交直线于点.试判断以线段为直径的圆是否恒过两个定点?若是,求这两个定点的坐标;若不是,说明理由.
        解析:(1)。对于(2),我们知道,焦点和准线为抛物线的一对极点极线,由性质⑤知,恰好构成抛物线的一个自极三角形,于是与为抛物线的一对极点极线,又由性质③可知,从而以为直径的圆恒过定点。
        例4(2014广州一模)已知双曲线的中心为原点,左右焦点公别为,离心率为,点是直线上任意一点,点在双曲线上,且满足.
        (1)求实数的值;
        (2)证明:直线与直线的斜率之积是定值;
        (3)若点的纵坐标为1,过点作动直线与双曲线右支交于不同两点,在线段上取异于点的点,满足,证明点恒在一条定直线上.
        解析:(1)。(2)由于在双曲线的右准线上,且有,根据性质③,为双曲线的切线,设,则,其斜率,而,故斜率之积为定值。(3)由性质⑥知,满足条件的点恒在点的极线上,立刻可知该直线方程为,那么也就有了解题的方向了。
        由上可见,二次曲线极点极线的性质虽无法直接用于解答题作答,但它就像一把钥匙,帮助我们理解出题者的本意,迅速的找到解题方向甚至是最终答案,以便寻找方法解决问题。特别是在一些客观题和圆锥曲线定点定值问题中,利用极点极线性质解题往往能够收到奇效。

参考文献:
[1] 韩毅, 蒋晓东. 椭圆的极点极线性质及推论[J]. 中学数学研究(华南师范大学版), 2019(9).
[2] 于涛. 极点与极线视角下的高考圆锥曲线试题[J]. 中学数学研究(华南师范大学版), 2019(1).
[3] 王兴华. 漫谈圆锥曲线的极点与极线——两高考试题的统一背景与解法[J]. 中学数学教学, 2006(06).
[4] 罗碎海. 圆锥曲线的极点与极线的重要结论[J]. 中学数学研究(华南师范大学版), 2014(19).
[5] 方德植, 陈奕培. 射影几何[M]. 高等教育出版社, 1983.
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