求動點的軌跡方程問題經常出現(xiàn)在解析幾何試題中.這類問題側重于考查圓錐曲線的定義、方程、幾何性質等.求解這類問題的方法很多,常用的有待定系數法、直接法、相關點法.下面結合實例介紹幾種求動點的軌跡方程的途徑.
一、引入待定系數
若根據題意可以判斷出動點的軌跡是哪種曲線,如橢圓、圓、雙曲線等,則可以采用待定系數法來求動點的軌跡方程.引入待定系數,設出動點的軌跡方程,將相關的點的坐標代入所設的方程中,求得各個待定系數的值,即可求得動點的軌跡方程.
例1.已知[?ABC]的頂點C為動點,頂點A、B坐標分別為[-4,0,4,0],且[sinA+sinB=54sinC],求點C的軌跡方程.
解:因為[A、B]的坐標分別為[-4,0,4,0,]
所以[AB=8,]因為[sinA+sinB=54sinC],
根據正弦定理可得[BC+AC=54×AB=54×8=10],
由橢圓的定義可知C點在橢圓上.
設橢圓的方程為 [x2a2+y2b2=1],則[2c=8],[ 2a=10],
可得a=5,c=4,則[b=3],
則C點的軌跡方程為 [x225+y29=1(x≠±5)].
由[BC+AC=10]可聯(lián)想到橢圓的定義:動點到兩定點的距離之和為定值,便可確定C點的軌跡為橢圓,其中[A]、[B]為橢圓的焦點.引入待定系數a、b,設出橢圓的方程為[x2a2+y2b2=1],求得a、b的值,即可求得動點的軌跡方程.
二、采用直接法
運用直接法求動點的軌跡方程,需直接根據已知的幾何關系,利用相關的定義、定理、性質建立動點所滿足的關系式,即可求得動點的軌跡方程.其步驟為:設點——建立方程——化簡——檢驗.
例2.若一條繩子的長為2a,兩個端點分別為A、B,繩的中點為P,若A、B分別在x軸和y軸上移動,求P點的軌跡方程.
解:設點P的坐標為[x,y],
因為A、B分別在x軸和y軸上移動,
所以三角形AOB為直角三角形,
因為AB的中點為P,所以[OP=12AB=12×2a=a],
由兩點間的距離公式可得[x2+y2=a],
化簡得[x2+y2=a2],即為P點的軌跡方程.
解題本題,需先提煉出有用的信息:(1)AB的中點為P;(2)A、B分別在x軸和y軸上移動,據此可推出:在直角三角形AOB中,中線OP等于斜邊AB的一半,即[OP=12AB];然后根據兩點間的距離公式建立方程,即可得到關于P點的坐標的方程.
例3.已知圓[O:x2+y2=4],點A坐標為[(4,0)],過A點作一條直線與圓[O]相交于[B,C]兩點,求[BC]的中點M的軌跡方程.
解:設點[M]的坐標為[x,y],
因為點[M]是[BC]的中點,所以[OM]⊥[BC],
所以在[Rt?OMA]中,[|OM|2+|MA|2=|OA|2],
即[x2+y2+x-42+y2=16],
化簡得:[x-22+y2=4].
由于M在圓內,所以[x2+y2<4],
則[x2+4-x-22<4],解得[x<1],
因為最大的弦長在x軸上,此時M點的橫坐標為0,
故[0≤x<1],
所以點M的軌跡方程為[x-22+y2=4]([0≤x<1]).
解答本題主要運用了直接法,先設出P點的坐標;然后根據[OM]⊥[BC]建立關于x、y的方程,并求得x的取值范圍,即可得到P點的軌跡方程.值得注意的是,在消參或者代換的過程中要關注x、y的取值范圍.
例4.如圖,兩條互相垂直的直線[l1,l2]相交于點[P(2,4)],直線[l1]與[x]軸的交點為A,直線[l2]與y軸的交點為B,求線段AB的中點[M]的軌跡方程.
解:設M點坐標為[x,y],
因為M為AB的中點,
所以A(2x,0),B(0,2y),
因為直線[l1,l2]過點P(2,4),
所以[kPA=4-02-2x,kPB=4-2y2-0],
而[l1⊥l2],所以PA⊥PB,則[kPA?kPB=-1],
即[42-2x×4-2y2=-1],化簡得[x+2y-5=0],
故點M的軌跡方程為[x+2y-5=0].
我們直接設出M的坐標,根據[l1⊥l2],建立關于兩條直線的斜率的關系式,即可得到關于M的坐標的方程.
三、運用相關點法
如果點P的位置變化是由另外一點[P]的運動引起的,且點[P]的運動軌跡是已知的,就可以采用相關點法來求P點的軌跡方程.先設出點P的坐標;再根據點P與相關點[P]之間的關系,用點[P]的坐標表示點[P]的坐標;然后將[P]的坐標代入相應的軌跡方程,便可通過化簡得到點[P]的軌跡方程.
例5.已知[A2a,0],點[B]是橢圓[x2a2+y2b2=1]上任意的一點,[AB]的中點為[M],求點[M]的軌跡方程.
解:設點[M]的坐標為[x,y],點B的坐標為[x0,y0],
因為點[M]是[AB]的中點,
所以[x0+2a2=x,y0+02=y,可得x0=2x-2a,y0=2y,]
所以點[B2x-2a,2y],
因為點[B]在橢圓[x2a2+y2b2=1]上,
所以[x02a2+y02b2=1],即[2x-2a2a2+2y2b2=1],
整理得[4x-a2a2+4y2b2=1],即為點[M]的軌跡方程.
本題中A為定點,點B在橢圓上移動,點M的位置隨著點B的移動而發(fā)生變化,故可采用相關點法求動點M的軌跡方程.用點[M]的坐標表示點B的坐標,再將點B的坐標代入橢圓的方程中,即可通過化簡得點[M]的軌跡方程.
綜上所述,求動點的軌跡方程的方法多種多樣,每種方式各有其優(yōu)勢.同學們需熟練掌握并學會靈活運用上述幾種常用的解題方法,這樣才能在求動點的軌跡方程時信手拈來.