圓錐曲線問題是大家公認的“難題”,這類題目不僅具有較強的綜合性,而且解題過程中的運算量較大.因而如何簡化運算,是我們必須要考慮的問題.在進行圓錐曲線習題訓練時,我們經(jīng)常會遇到這樣情形:(1)兩點在同一條直線上;(2)兩點在同一條曲線上;(3)兩條直線位于圓錐曲線上的相同位置或對稱的位置;(4)兩條直線過圓錐曲線上的同一個點.這些題目中的點或線都具有共同特征,我們可以根據(jù)這些共同特征構造同構式,利用同構法來解題.通過設而不求和整體消元,順利獲得問題的答案.下面舉例加以說明.
例1.(2023年全國乙卷理科,第20題)已知曲線[C]的方程為[y2a2+x2b2=1a>b>0],離心率為[53],曲線過點[A-2,0].
(1)求曲線[C]的方程;
(2)過點[-2,3]的直線交曲線[C]于[P]、[Q]兩點,直線[AP]與直線[AQ]與[y]軸交于[M]、[N]兩點,證明:線段[M]、[N]的中點是定點.
證明:(1)略;(2)由(1)可得曲線[C]的方程為[y29+x24=1].由題意可知直線[AP]、[AQ]的斜率均存在,設直線[PQ]的方程為:[y-3=k0x+2],直線[AP]的方程為:[y=k1x+2],直線[AQ]的方程為[y=k2x+2],
則[M0,2k1],[N0,2k2],[M]、[N]的中點[0,k1+k2].
聯(lián)立曲線[C]的方程和直線[AP]的方程得[4y2+9x2=36,y=k1x+2,]
得點[P]的坐標[36-16k128k12+18,72k118+8k12],
同理可得點[Q]的坐標為[36-16k228k22+18,72k218+8k22],
又因為點[P]、[Q]在直線[PQ]上,故將這兩點的坐標代入直線[PQ]的方程[y-3=k0x+2]中,
得[72k1-318+8k12=72k0,72k2-318+8k12=72k0,]
所以[k1]、[k2]是方程[24k2-72k+72k0+64=0]的兩根,
由韋達定理可得[k1+k2=3],
而[M]、[N]的中點[0,k1+k2],故[M]、[N]的中點過定點[0,3].
點[P]、[Q]都在同一條直線[PQ]上,而點[P]、[Q]的坐標可以由曲線的方程[C]分別與直線[AP]、直線[AQ]的方程聯(lián)立得到,顯然得到的點[P]和點[Q]坐標的表達式的結構是相同的.將其代入直線[PQ]的方程中,可以得出一組同構式:關于[k]的一元二次方程,再利用韋達定理就可以得到問題的答案. “同構式”是指變量不同、但結構相同的兩個式子.而同構法則是把不同的數(shù)學結構轉化為相同的數(shù)學結構的方法.用同構法解題,不僅可以簡化運算,還能有效地提升解題的效率.
例2.(2023年全國甲卷理科,第20題)直線[x-2y+1=0]與拋物線[y2=2pxp>0]交于[A]、[B]兩點,且[AB=415].
(1)求[p]的值;
(2)若[F]為[y2=2px]的焦點,[M]、[N]為拋物線上的兩點,且[MF?NF=0],求[△MNF]面積的最小值.
證明:(1)略;(2)由(1)可知拋物線的方程為[y2=4x],設直線[MF]的方程為:[y=k1x-1],直線[NF]的方程[y=k2x-1],直線[MN]的方程為[y=k0x+b],
聯(lián)立直線[MN]與直線[MF]的方程得[y=k0x+b,y=k1x-1,]
可得[Mb+k1k1-k0,k1b+k0k1-k0],同理可得[Nb+k2k2-k0,k2b+k0k2-k0],
因為點[M]、[N]在拋物線[y2=4x]上,所以將兩點坐標代入拋物線的方程中可得:
[b+k02-4k12-4b-k0k1+4bk0=0,b+k02-4k22-4b-k0k2+4bk0=0,]
則[k1]、[k2]可以看作是方程[b+k02-4k2-4b-k0k+4bk0=0]的兩個不同的根,
因為[MF?NF=0],
由韋達定理可得[k1k2=4bk0b+k02-4,k1+k2=4b-k0b+k02-4,]
[所以k1k2=4bk0b+k02-4=-1],[整理得b2+k02+6bk0=4],
由兩點間距離公式可得:
[MF=b+k1k1-k0-12+k1b+k0k1-k02]
[=b+k0k1-k021+k12],
[NF=b+k2k2-k0-12+k2b+k0k2-k02]
[=b+k0k2-k021+k22].
則[S△MNF=12MFNF]
[=12b+k0k1-k021+k12?b+k0k2-k021+k22],
整理得[S△MNF=12b+k02?1k1-k0?1k2-k0?] [k1k22+k12+k22+1],
將[k1+k2=4b-k0b+k02-4],[k1k2=-1],[b2+k02+6bk0=4]代入上式中,整理得:
[S△MNF=b2+k02+2bk0k02=bk02+2bk0+1],
設[bk0=t],則[S△MNF=t2+2t+1],
又因為[b2+k02+6bk0=4],所以[t2+6t+1>0],
解得[t>-3+22],[t<-3-22],
從而得[S△MNF=t2+2t+1>12-82],
故[△MNF]面積的最小值為[12-82].
本題中點[M]、[N]都在同一條拋物線上,且點[M]、[N]的坐標可以由直線[MN]分別與直線[MF]的方程、直線[NF]的方程聯(lián)立得到,所以得到的點[M]和點[N]坐標的表達式的結構是相同的.將其都代入到拋物線的方程中,就可以得到一組同構式:[b+k02-4k2-4b-k0k+4bk0=0].此時可將[k1]、[k2]視為方程的兩個根,利用韋達定理建立兩根之間的關系式,便能求得[△MNF]的面積表達式.再通過整體消元消去[k0]、[b]、[k1]、[k2],得到關于t的二次不等式,解該不等式即可解題.
由對以上兩道題目的分析可以知道,運用同構法解題,要先找到“共同點”,即位置相同或對稱的點、直線;接著要找到“同構式”,通常需將兩個點的坐標代入它們所在的直線或者曲線方程中,得到同構方程;最后根據(jù)韋達定理建立的關系式,進行整體消元,即可得到答案.運用同構法,可以為我們提供新的解題思路,簡化運算,優(yōu)化解題的過程.同學們要熟練掌握這種解題方法、技巧,并將其靈活地應用于解題當中.