轨迹方程的求法

一、直接法

如果动点运动的条件就是一些几何量的等量关系,且这些条件简单明确,易于表述成含有x,y的等式从而得到轨迹方程,就可使用直接法.用直接法求动点轨迹一般有建系(建立坐标系)、设点、列式、化简、证明五个步骤.

例1如***1所示,已知点Q(2,0),圆O的方程为x2+y2=1,动点M到圆O的切线长与MQ的比等于常数λ(λ>0),求动点M的轨迹.

解: 设MN切圆O于N,则MN2=MO2-NO2. 设M(x,y),则有=λ. 化简得(λ2-1)(x2+y2)-4λ2x+(1+4λ2)=0.

当λ=1时,方程为x=,M的轨迹是一条直线;当λ≠1时,整理方程可得x-2+y2=,点M的轨迹是一个圆.

注: 题目要求求“轨迹方程”时,一般只要求出方程即可;要求求“轨迹”时,不仅要求出方程,而且要对轨迹进行描述,如轨迹为抛物线、圆等.

变式练习1:一个圆被两直线x+2y=0,x-2y=0 截得的弦长分别为8和4,求动圆圆心的轨迹方程.

答案: xy=-.

二、定义法

所谓定义法,即运用解析几何中一些常用定义(例如圆锥曲线的定义),直接写出轨迹方程;或从曲线定义出发建立关系式,从而求出轨迹方程.

例2如***2所示,某建筑工地要挖一个横截面为半圆的土坑,挖出的土只能沿AP,BP运到P处,其中AP=100m,BP=150m,∠APB=60°. 怎样把土运到P点最省工?

解:半圆上的点可分为三类:一是沿AP到P较近,二是沿BP到P较近,三是沿AP或BP一样近. 其中第三类的点位于前两类的分界线上. 设M(x,y)为分界线上任意一点,则MA+AP=MB+BP(①). 由余弦定理得AB==50.又由①式得MA-MB=BP-AP=50

变式练习2: 已知椭圆的焦点是F1,F2,P是椭圆上的一个动点,如果延长F1P到Q,使PQ=PF2,那么动点Q的轨迹是

A. 圆 B. 椭圆 C. 双曲线的一支 D. 抛物线

答案:A

三、转移代入法

如果所求轨迹上的点P(x,y)随另一个在已知曲线C:F(x,y)=0上的动点M(x0,y0)的变化而变化,且x0,y0能用x,y表示,则将x0=f(x,y),y0=g(x,y)代入已知曲线F(x,y)=0,化简后即可得所求轨迹方程.

例3如***3所示, P(4,0)是圆x2+y2=36内的一点,A,B是圆上两动点,且满足∠APB=90°,求矩形APBQ的顶点Q的轨迹方程.

解: 设AB的中点R(x1,y1),则在RtAPB中,AR2=PR2=(x1-4)2+. R是弦AB的中点,在RtORA中,AR2=AO2-OR2=36-(+). (x1-4)2+=36-(+),整理得(x1-2)2+=14. 即R的轨迹是以(2,0)为圆心,半径为的圆.

设Q(x,y), APBQ为矩形, R是PQ的中点, x1=,y1=,代入方程(x1-2)2+=14,得-22+2=14. 整理得点Q的轨迹方程为x2+y2=56.

变式练习3:已知ABC中,B(1,0),C(5,0),点A在x轴上方移动,且tanB+tanC=3,求ABC的重心G的轨迹方程.

答案: y-1=-(x-3)2 (y>0且y≠). (提示:设A(x0,y0),根据重心坐标公式与三角形存在的条件,使用转移代入法求解.在解题中应注意条件“点A在x轴上方移动”,可知y必须大于0)

四、点差法

求圆锥曲线中点弦的轨迹时,常把两个端点设为A(x1,y1),B(x2,y2)并代入圆锥曲线方程,作差求出轨迹方程.

例4如***4所示,过抛物线y2=4x的焦点F作直线与抛物线交于P,Q两点,当此直线绕焦点F旋转时,求弦PQ中点的轨迹方程.

解法一: 设P(x1,y1),Q(x2,y2),PQ的中点为M(x,y). 由=4x1,=4x2得:(y1-y2)(y1+y2)=4(x1-x2).

当x1≠x2时,整理得2y•=4,又kPQ=kMF=,所以2y•=4,即y2=2(x-1).

当x1=x2时,PQ平行于y轴,易得弦PQ的中点为F(1,0),也满足方程y2=2(x-1). 故PQ中点的轨迹方程为y2=2(x-1).

注: 一般情况下,能用点差法解的问题,都可用韦达定理与参数法解决.

变式练习4: 斜率为2的直线被抛物线x2=y所截得线段中点的轨迹方程是

A. x=1(y>0) B. x=1(y>1) C. x=-1(y>0) D. x=-1(y>1)

答案: B (提示:设直线y=2x+b与抛物线的两个焦点分别为(x1,y1),(x2,y2). 由y1=,y2=得(y1-y2)=(x1-x2)(x1+x2), =x1+x2=k=2. 设线段中点为M(x,y),由x==1可得M(1,y). 而当x=1时,抛物线上的点的纵坐标为y=1, M在抛物线内部, M(1,y)必在点(1,1)上方, y>1)

注: 在解答轨迹方程问题时,要特别注意题目对方程变量取值范围的限制. 如变式练习4中,y的取值要满足y=x2≥0,且M在抛物线内部即y>1两个条件.因此同学们在解题后可将变量的取值范围与题中条件(包括隐含条件)进行核对,以免出错.

五、参数法

求轨迹方程时,如果难以直接找到动点的横坐标x、纵坐标y之间的关系,就可通过中间变量(参数)使x,y建立起联系,然后再消去参数,得到轨迹方程. 转移代入法、点差法都是参数法的一种特殊表现.

例5如***5所示,在ABC中,已知A(3,0),B,C在y轴上运动,且保持BC=2. 求ABC的外心P的轨迹.

解: 设B(0,t),C(0,t+2),P(x,y),AB中点为M,则M的坐标为,. P为ABC外心,M为AB中点, PMAB. 由此可得ty-=3x-,与BC的中垂线方程y=t+1联立消去参数t,得点P的轨迹方程y2=6x-8. ABC的外心P的轨迹是一条抛物线.

变式练习5:如***6所示,设AB是单位圆O的直径,点N是圆上的动点,过点N的切线与过点A,B的切线分别交于D,C两点.四边形ABCD的对角线交于点G,求G的轨迹.

解: 以圆心O为原点,AB为x轴正方向建立直角坐标系,则A(-1,0),B(1,0),单位圆的方程为x2+y2=1. 设点N的坐标为(cosθ,sinθ),则切线DC的方程为:xcosθ+ysinθ=1,C1,,D-1,. AC的方程为y=(x+1),BD的方程为y=-•(x-1),两式相乘得:y2=-•(x2-1),即x2+4y2=1. 当点N无限接近A或B时,点G亦无限接近A或B;当点N恰为A或B时,四边形ABCD不存在,不符合题意, 点G的轨迹方程为x2+4y2=1(-1

注:①用参数法求轨迹是高考中常考的重要题型,常见的参数有:斜率、截距、定比、角、点的坐标等. ②要特别注意消参前后需保持解题范围的等价性,使答案满足题目中的限制条件. ③多参问题中,根据方程的观点,引入n个参数,需建立n+1个方程才能消参. 遇到能整体处理的特殊情况时,方程个数可减少.

轨迹方程的求法

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