動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程問(wèn)題比較常見(jiàn).此類問(wèn)題具有較強(qiáng)的綜合性,側(cè)重于考查同學(xué)們的運(yùn)算和抽象思維能力.解答這類問(wèn)題,同學(xué)們不僅需要熟練掌握?qǐng)A錐曲線的定義、性質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)方程,還要靈活運(yùn)用一些平面幾何知識(shí)來(lái)建立變量之間的關(guān)系式.下面就幾道例題,談一談解答動(dòng)點(diǎn)軌跡方程問(wèn)題的方法.
一、直接法
如果題目中直接給出了與動(dòng)點(diǎn)相關(guān)的條件,如垂直、平行、相等等關(guān)系,就可以利用直接法求動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程.運(yùn)用直接法求動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程的步驟為:(1)根據(jù)題意建立平面直角坐標(biāo)系,并設(shè)出動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo);(2)根據(jù)題目中有關(guān)動(dòng)點(diǎn)的幾何條件,以及相關(guān)的定義、公式、性質(zhì),列出與動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)相關(guān)的等式;(3)化簡(jiǎn)等式,即可得到動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程;(4)檢驗(yàn)變量的范圍是否滿足題意.
例1.已知圓[O:x2+y2=1],直線[PN]與圓[O]相切于點(diǎn)[N],點(diǎn)[P]到點(diǎn)[N]的距離與到點(diǎn)[Q(2,0)]的距離之比為[k],求動(dòng)點(diǎn)[P]的軌跡方程.
解:設(shè)點(diǎn)[P(x,y)],由題意可得[|ON|=1且|PN|=k|PQ|],
所以[|PN|2=|PO|2-|ON|2=|PO|2-1=x2+y2-1],
由兩點(diǎn)間的距離公式可得[|PQ|2=(x-2)2+y2],
由[|PN|=k|PQ|],得[x2+y2-1=k(x-2)2+y2],
即[(k2-1)(x2+y2)-4k2x+(1+4k2)=0].
當(dāng)[k=1]時(shí),[x=54],則動(dòng)點(diǎn)[P]的軌跡為一條直線,軌跡方程為[x=54].
當(dāng)[k≠1]時(shí),[(x-2k2k2-1)2+y2=3k2+1(k2-1)2],動(dòng)點(diǎn)[P]的軌跡是以點(diǎn)[(2k2k2-1,0)]為圓心、半徑為[3k2+1|k2-1|]的圓,軌跡方程為[(x-2k2k2-1)2+y2=3k2+1(k2-1)2].
本題中的幾何關(guān)系較為簡(jiǎn)單,即[|ON|=1且|PN|=k|PQ|],于是采用直接法,直接根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式和圓的性質(zhì)建立關(guān)系式,化簡(jiǎn)該式,便可獲得動(dòng)點(diǎn)[P]的軌跡方程.
二、交軌法
交軌法適用于解答兩動(dòng)曲線的交點(diǎn)的軌跡問(wèn)題.在使用此方法解題時(shí),要先選擇合適的參數(shù)表示兩動(dòng)曲線的方程;然后通過(guò)等量變換將參數(shù)消去,即可得到兩動(dòng)曲線的交點(diǎn)的方程.
例2.已知A、B是直線[l:y=x]上的兩點(diǎn),且[AB=2],[P(-2,2),Q(0,2)],求直線[PA]與直線[QB]的交點(diǎn)[M]的軌跡方程.
解:設(shè)交點(diǎn)[M]的坐標(biāo)為[M(x,y)],[A(t,t),B(t+1,t+1)],
則[PA:y-2=t-2t+2(x+2)(t≠-2)] ①;
[QB:y-2=t-1t+1x(t≠-1)] ②.
因?yàn)辄c(diǎn)[M]為直線[PA]與直線[QB]的交點(diǎn),所以上述兩方程有公共解,
聯(lián)立①②,消去t得[x2-y2+2x-2y+8=0],即為點(diǎn)[M]的軌跡方程.
交軌法本質(zhì)上是利用參數(shù)作為一個(gè)中間量,根據(jù)動(dòng)點(diǎn)同時(shí)滿足兩曲線的方程,通過(guò)聯(lián)立兩方程,消去參數(shù),從而得到一個(gè)關(guān)于動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的方程.
三、相關(guān)點(diǎn)法
若動(dòng)點(diǎn)[M(x,y)]隨著另一個(gè)動(dòng)點(diǎn)[N(x0,y0)]的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),且動(dòng)點(diǎn)[N]的軌跡是已知的,或者相對(duì)于動(dòng)點(diǎn)[M]的軌跡較容易求得,則可以考慮使用相關(guān)點(diǎn)法求點(diǎn)[M]的軌跡方程.其步驟是:(1)先用[x]、[y]表示出[x0]、[y0];再將其代入到點(diǎn)[N]的軌跡方程中,化簡(jiǎn)整理,即可得到點(diǎn)[M]的軌跡方程.
例3.已知拋物線[y2=4x]的通徑為線段[AB],動(dòng)點(diǎn)[C]是拋物線上的一點(diǎn),求[ΔABC]的重心[P]的軌跡方程.
解:設(shè)重心[P(x,y)],動(dòng)點(diǎn)[C][(x0,y0)],其中[x0≠1],
由題意可得[y02=4x0][(?)],A、B的坐標(biāo)分別為[(1,2),(1,-2)],
根據(jù)三角形的重心坐標(biāo)公式可得[P(x0+23,y03)],將其代入[(?)]中整理得:[y2=43(x-23)],所以點(diǎn)[P]的軌跡方程為[y2=43(x-23)(x≠1)].
本題中,動(dòng)點(diǎn)P隨著C的運(yùn)動(dòng)而變化,需運(yùn)用相關(guān)點(diǎn)法求動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程.需要注意的是,在代入點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí),要分清代入的量與原變量之間的關(guān)系,明確轉(zhuǎn)化后方程中變量的取值范圍.
上述三種方法雖然看似各不相同,實(shí)質(zhì)上卻有相同之處:(1)都需設(shè)出動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo);(2)都需要建立變量之間的關(guān)系.而解題的關(guān)鍵在于如何建立這個(gè)關(guān)系,這就需要同學(xué)們?cè)诮忸}時(shí)能夠仔細(xì)分析題目中的條件,找到解題的規(guī)律,選用合適的方法求解.
(作者單位:江蘇省東臺(tái)中學(xué))