摘要: 曲线的切线是高考命题频率较高的知识点之一。《平面几何》中圆的切线、《解析几何》中圆锥曲线的切线、应用导数中求曲线的切线,经历了从一般到特殊,从低级到高级的认知过程。本文主要从求法的角度整合对各阶段切线的认识、理解, 从而灵活地掌握求曲线的方法。
关键词: 曲线 切线 几何法 判别式法 导数法
一、切线的定义
由《平面几何》中切线的定义、《解析几何》中切线的定义并结合《极限理论》中曲线的切线的定义,可以概括出曲线的切线的统一定义为:直线与圆锥曲线有两个重合的交点,这样的直线是曲线的切线,这个交点是切点;从运动变化的角度来看,这个交点是动点的极限位置。
二、切线的求法
从定义的内涵来看,它来源于两个理论基础知识体系。因此求曲线的切线的方法有着各自不同的适用范围。从静态定义来看,几何法和判别式法均适用于二次曲线,思路方法相对简单,但运算量较大;从动态定义来看,导数方法适用的范围更广,方法更简捷,运算量一般较小,是求曲线的切线的通法。
1.几何法。因为圆具有特殊的几何性质,故几何法一般可用于求圆的切线。
例1:已知M(x ,y )点是圆C:x +y =r 上一点,求过点M的圆的切线。
分析:圆的切线的几何性质是圆心与切点的连线垂直于圆的切线(或圆心到切线的距离等于圆的半径)。由此很容易依据点斜式和斜率不存在时两种情况写出过圆上一点M(x ,y )的切线为:xx +yy =r 。变式:
(1)求过圆P:(x-a) +(y-b) =r 上一点M(x ,y )的切线。
分析:利用圆的切线的几何性质得出所求的切线为:(x-a)(x -a)+(y-b)(y -b)=r 。
(2)求过圆P:(x-a) +(y-b) =r 外一点M(x ,y )的切线。
分析:利用圆心到切线的距离等于圆的半径这一几何性质可求。(过程略)
2.判别式法。不仅可以求圆的切线,也可以求其他圆锥曲线的切线。
例2:设P(x ,y )是双曲线 - =1(a>0,b>0)上一点,求过点P(x ,y )的双曲线的切线。
分析:①若P(x ,y )为双曲线的实轴的端点,即x =±a,y =0时,过点P的双曲线的切线的斜率不存在,切线为:x=x 。②若P(x ,y )不是双曲线的实轴的端点,则切线的斜率存在。不妨设为k,切线方程为y-y =k(x-x ),与双曲线 - =1(a>0,b>0)联立方程组并消去y得y y=p(x+x )。
上述方程有两个相等的实根,
b -a k ≠0且V=4a k (y -kx ) +4(b -a k )[a (y -kx ) +a b ]=0
又b x-a y=a b 代入判别式化简得(a ky -b x ) =0,
k=
所求的切线为:y-y = (x-x ),整理得 - =1。
显然当切线的斜率k不存在时,即x =±a,y =0也满足上面的方程。
过双曲线 - =1(a>0,b>0)上一点P(x ,y )的切线为: - =1。
同理,其他圆锥曲线的切线也可以用判别式法得到:
推广:(1)过椭圆 + =1(a>b>0)上一点P(x ,y )的切线为: + =1。
(2)过抛物线y =2px(p>0)上一点P(x ,y )的切线为:y y=p(x+x )。
点评:直线是圆锥曲线的切线?圳直线与圆锥曲线有两个重合的交点?圳直线方程与圆锥曲线方程联立得到的方程组有惟一一组实数解?圳一元二次方程有相等实根?圳二次项系数不等于0且=0。
三、关于切线的几条结论
综合对二次曲线和一般曲线的切线的认识,得出以下几条结论:
1.直线与曲线相切有切点,但未必只有一个公共点;
2.直线与曲线相切,切点可以有无数个。如y=sinx在点(2kπ+ ,1)(k∈Z)处的切线y=1,与曲线y=sinx有无数个公共点,且每个公共点都为切点;
3.过曲线上一点不一定存在切线,如曲线上的孤立处没有切线;
4.过曲线上一点的切线如果存在,曲线不一定在切线的同侧,如双曲线在切线的两侧。
通过对几种求切线方法的认识,进一步理解了切线的概念及有关的性质,尤其是对于导数法的理解,其实质是导数的几何意义建立了导数与解析几何知识的关联。运用导数知识解决相应的解析几何问题,是在知识交汇处命制试题的一个热点,也是培养综合运用数学知识解决实际问题的重要途径。
参考文献:
[1]刘绍学主编.数学(选修2-1).北京:人民教育出版社,2007.
[2]张喜堂主编.数学分析(上、下).武汉:华中师范大学出版社,1995.
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