直线参数方程的应用

摘要:众所周知,在数学学科的解题过程中,直线参数方程应用最为广泛。因此,在高中数学教材的改革中,将直线参数方程的应用再次纳入教学内容中。

关键词:直线参数方程;应用

前言:

直线参数方程在圆锥曲线的切线方程、解与线段长有关的问题、解与线段的中点有关的问题、证明某些几何命题、解决有关极值的一些问题等方面发挥重要的作用。文章主要分析在直线参数方程中参数t的几何意义以及其常用的性质,并重点研究直线参数方程在数学学科中的实际应用。

1.参数t的几何意义及常用性质

设过定点M0(x0,y0),且倾斜角为α的直线l参数方程为x=x0+tcosα

y=y0+tsinα(t为参数)。其中,参数方程中的参数t具有四个常用的性质:

第一,若t>0,点M位于M0的上方,相反,位于M0的下方,而当t=0的时候,点M和M0是重合的[1]。

第二,直线参数方程中的参数t可以代表直线l上M0到任意点M(x,y)有向线段M0M的数量,用公式表示为t=M0M。

第三,若直线l上的M1点与M2点对应的参数为t1与t2,那么,M1M2=t1-t2,并且满足M0M1M0M2=t1t2的关系。如果M0点在M1与M2之间,则满足t1t2<0的关系,如果M0点在M1与M2之外,则t1t2>0。

第四,若点M为M1M2中点,而点M对应的参数为t,那么t=t1+t22。

2.直线参数方程的应用

2.1求圆锥曲线的切线方程

直线参数方程在圆锥曲线切线方程中的实际应用中,最重要的就是将切线的方程转化成直线参数方程,然后将其代入到原有的圆锥曲线方程中,进而获得有关参数t的二次方程。若存在已知的切线上点的坐标,就可以通过判别式,即=0来求解tanα,也就是圆锥曲线切线的斜率[2]。求解出切线斜率以后可以利用点斜式求解目标其切线方程。而如果切线斜率已知,也可以利用判别式,即=0求解出切线上某点的具体坐标关系,即x0与y0的关系,并将其转换成x与y,进而获得目标切线方程。以过定点的切线为例,求解椭圆的切线方程,具体方法如下:

题目内容为,椭圆方程为9x2+y2=25,求过定点(-1,4)的切线方程。

解题思路如下,因为定点在椭圆之上,所以,可以将椭圆方程转换成含有t的切线方程,即x=-1+tcosα

y=4+tsinα(t为参数),然后将其带入到9x2+y2=25公式中,进而获取方程为9(-1+tcosα)+(4+tsinα)2=25,经过相应的整理可以得出方程,即(9cos2+sin2α)t2-(18cosα-8sinα)t=0,同时,目标直线与椭圆的位置关系是相切,所以可以形成关系式,即=(18cosα-8sinα)2=0,所以得出tanα=94,因此,y-4=94×(x+1),经整理可得出切线的方程,即9x-4y+25=0。

2.2解与线段长有关的问题

在求解与线段长相关的数学问题时,同样可以应用直线参数方程,这种方法不仅可以有效地避免求解交点的坐标,而且还无需应用两点之间的距离公式,一定程度上规避了繁琐的数学运算,可以有效地简化数学运算。下面以具体数学例题为例进行分析:

已知抛物线的方程为y2=4x,其焦点坐标F为(1,0),求解过此焦点且倾斜角是3π4的直线AB长。首先可以将抛物线方程转换成参数方程,为x=1+tcos3π4

y=tsin3π4(t为参数),经整理可得,x=1-22t

y=22t(t为参数),然后将所得公式代入到抛物线方程y2=4x中,可得t2+42t-8=0,再通过根和系数之间的关系可以得出方程t1+t2=-42t,t1t2=-8,进而得出直线AB的长度为8。

2.3解与线段的中点有关的问题

在求解线段中点的相关问题中可以引进直线的参数方程,若线段MN的中点为M1,并且具体的坐标是(x0,y0),将M,N的参数分别假定为t1与t2,那么t1+t2=0。通过运用上述关系式,可以求解线段所在直线的斜率,或者是始终变化中点(x0,y0)坐标间的具体关系[3]。

以双曲线的数学运算为例进行分析,双曲线的方程为x24-y23=1,其中存在一弦AB是由定点(4,1)平分,求解直线AB的方程。

可以将直线AB的方程转换成参数方程,即x=4+tcosα

y=1=tsinα(t为参数)然后将参数方程代入到原有的双曲线方程中,获得方程,3(4+tcosα)2-4(1+tsinα)2=12,经整理可以得出(3cos2α-tsin2α)t2-8(sinα-3cosα)t+32=0。同时,AB弦被(4,1)点平分,所以可以得出t1+t2=0,也就是sinα-3cosα=0,得出tanα=3。因此,直线AB方程可以表示成y-1=3(x-4),经整理得出3x-y-11=0。

2.4解决有关极值的一些问题

在数学问题中有关极值的问题也可以使用直线参数方程来解决,因为题目中的条件比较隐蔽,所以,需要引进参数的几何意义,以及与一元二次方程相关的根与系数之间的关系来解决此类问题。

下面以具体例题为例进行分析,已知直线经过定点P,其坐标为(1,1),并且其倾斜角为α,同时直线与椭圆相交与M、N两点,椭圆的方程为x24+y2=1,则当α为何值时,可以使|MP|・|NP|取得最值,并求解最值。

具体的解题过程如下,可以将直线方程转换成参数方程,因为直线过定点(1,1),并且倾斜角为α,则直线的参数方程为{x=1+tcosα

y=1+tsinα(t为参数),并将参数方程代入到椭圆方程中,进而得到方程(1+tcosα)24+(1+tsinα)2=1,经整理可得(1+3sin2α)t2+(2cosα+8sinα)t+1=0。所以可以得出t1t2=11+3sin2α,所以,|MP|・|NP|=|t1||t2|=11+3sin2α。因此,在α=0的情况下,|MP|・|NP|可以取得最大值,为1。而当α=π2的时候,|MP|・|NP|可以取得最小值,为14。

结束语:

综上所述,在数学学科的问题解决过程中,适当地使用参数方程可以使数学求解过程更简便。在学习直线参数方程的过程中,最重要的就是正确理解参数t的几何意义以及常用的性质,并且在实际的数学运算过程中,通过正确地使用参数t来解决文章所阐述的数学问题。高中阶段的数学学习,其中参数方程的学习与应用占据重要地位,主要包括在直线、圆与椭圆数学问题中的应用,文章针对上述三点都进行了详细地分析,所以,在实际的学习与应用的过程中,应仔细品味参数实际意义,并在数学相关问题的解决中发挥其真正的作用。(作者单位:云南师范大学)

参考文献:

[1]苗学良.直线参数方程中参数的几何意义及应用[J].聊城大学学报(自然科学版),2013,26(1):86-89.

[2]刘义.直线参数方程的应用[J].青海教育,2014(12):36-36.

[3]章玉龙,杜今芳.例谈直线参数方程及其应用[J].中学数学月刊,2010(3):37-38.

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