焦点弦也叫焦弦(focal chord),是一条线段,指圆锥曲线的过焦点的任一条弦。抛物线、椭圆、双曲线属于圆锥曲线的一种,它们的均有焦点弦。焦点弦是由两个在同一直线上的焦半径构成。其长度计算因曲线类型而异:椭圆需区分同支焦点弦,双曲线涉及同支或两支情况,抛物线与焦准距直接关联。
其中,通过圆锥曲线的焦点,且与准线平行的弦是正焦弦(latus rectum),它垂直于通过焦点的轴。
基本概念
定义
连接圆锥曲线上任意两点得到的线段叫做圆锥曲线的弦。若这条弦经过焦点,则称为焦点弦。
焦点弦是指椭圆或者双曲线或者抛物线上经过一个焦点的弦.
焦点弦简述
数学中的弦是指同一条圆锥曲线或同一个圆上两点连接而成的线段。
焦点弦特点
焦点弦是由两个在同一条直线上的焦半径构成的。焦半径是由一个焦点引出的射线与椭圆或双曲线相交形成的。而由于椭圆或双曲线上的点与焦点之间的距离(即焦半径长)可以用椭圆或双曲线离心率和该点到对应的准线之间的距离来表示(圆锥曲线第二定义),因此,焦半径长可以用该点的横坐标来表示,与纵坐标无关。这是一个很好的性质。焦点弦长就是这两个焦半径长之和。此外,由于焦点弦经过焦点,其方程式可以由其斜率唯一确定,很多问题可以转化为对其斜率范围或取值的讨论。(注意斜率不存在的情况!即垂直于x轴!)
研究对象
椭圆焦点弦公式
2ab²/(b²+c²sin²α) (α为焦点弦的倾斜角)
2a±e(x1+x2)(焦点在x轴)
2a±e(y1+y2)(焦点在y轴)
双曲线焦点弦公式
2ab²/lb²-c²sin²αl
抛物线焦点弦公式
x1+x2+p
抛物线焦点弦的其他结论
①弦长公式
②若直线AB的倾斜角为α,则|AB|=2p/sin²α
③y2=2px或y2=-2px时,x1x2=p²/4,y1y2=-p²
x2=2py或x2=-2py时,y1y2=p²/4,x1x2=-p²
性质应用
焦点弦有很多良好的性质,高考中或多或少会出现使用,甚至直接要求证明这些性质的题目。在此列举了几个常见的性质以及它们的证明过程。证明中皆以焦点在x轴上的圆锥曲线为例。
研究对象
圆锥曲线方程。圆锥曲线焦点弦的性质及其应用性质。
⑴过椭圆焦点F的直线交椭圆于A、B两点,记q=a^2/c-c,是焦准距, e是离心率。
⑵过双曲线(a>0,b>0)焦点F的直线交双曲线于A、B两点,记p=c-a^2/c,是焦准距。若A、B两点在双曲线的同一支上,此时称AB为双曲线的同支焦点弦。若A、B两点分别位于双曲线的左支和右支上,此时称AB为双曲线的异支焦点弦。(抛物线的类似性质,本文从略)
证明举例
(只证性质⑴,性质⑵的证明从略)由对称性,不妨取F为右焦点。设右准线l与x轴交于点D,过A作AG⊥l于G,过B作BH⊥l于点H,则AG∥FD∥BH;且由椭圆的第二定义知,|AG|= ,|BH|=。令|FE|=m,|ED|=n,则m+n=|FD|=。故由, = 可得:。∴。因此,m+n= ?。∴ ,从而 就是焦准距。证毕。
[说明]①在上述证明过程中出现的“m = n”, “即|FE|=|ED|”,亦即 E为线段FD的中点(如图1)这是椭圆焦点弦的另一条性质。双曲线与抛物线也有这一性质。
②如图1,若设∠AFD= ,并分别过A、F作FD和BH的垂线,则可证:从而得焦点弦长公式:|AB|= = 就是焦准距。在双曲线与抛物线中也有这样的公式,如:在双曲线 (a>0,b>0)中,若焦点弦AB的倾斜角为,则, ;从而焦点弦长 为焦准距,是离心率,且。③如图1,若分别连接AD和BD,利用说明①的结论,则易证:∠ADF=∠BDF,即x轴平分∠ADB。在双曲线与抛物线中也有这样的结论。
例1 (07年全国(Ⅰ)高考(理)题)已知椭圆 的左、右焦点分别为一级方程式锦标赛、F2,过F1的直线交椭圆于B、D两点,过F2的直线交椭圆于A、C两点,且AC⊥BD,垂足为P。
(Ⅰ)设P点的坐标为(x0,y0),证明: ;
(Ⅱ)求四边形ABCD的面积的最小值。
分析:(Ⅰ)略。
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,AC⊥BD的垂足P在椭圆的内部,因此,(画草图)四边形ABCD的面积S=。
设直线AC的倾斜角为,则由本文性质的说明②可得:|AC|= ;而AC⊥BD,∴|BD|=。从而S=。
由均值不等式可得: ≤。
∴S≥ ,当且仅当 =45°或135°时取等号——问题获解。
例子
求双曲线
同支焦点弦的弦长的最小值;
⑵ 求双曲线 异支焦点弦的弦长的最小值。
解 ⑴由对称性(如图2),不妨设同支焦点弦
AB经过右焦点F(c, 0) ,且设 = n,
则由本文性质⑴知: ,即。
而mn≤ , ∴ ≥。
因此 ≥ ,即 ≥。
故|AB|=m+n≥ ,其中当且仅当m=n时取等号;即焦点弦AB垂直于实轴时,同支焦点弦的弦长取到最小值。
⑵设异支焦点弦CD的倾斜角为,则由本文性质的说明②可得:。易知当且仅当 时取|CD|最小值2a。
(注:运用“数形结合”思想,也易从图2中推出|CD|≥2a)。
本文即在于用圆锥曲线的极线理论对这一性质作进一步的推广,得出一些更一般的结论(即本文末的定理5和定理6)。
什么是二次曲线的极线
设S:Ax+2Bxy+Cy+2Dx+2Ey+F=0为常态二次曲线,P(x0,y0)为不在S上的点(有心二次曲线的中心也除外,下同),我们把直线P:Ax0x+B(x0y+y0x)+Cy0y+D(x+x0)+E(y+y0)+F=0叫做点P关于S的极线,点P则叫做直线P关于S的极点。
在这样的定义下,有心圆锥曲线的中心没有极线,并且
定理1 (配极理论的原则). 若点P的极线通过点Q,则点Q的极线也通过点P.
定理2 通过一点P而且与一个常态二次曲线相切的直线它的切点在点P的极线上。
定理4 如果椭圆、双曲线、抛物线的两条切线的交点在准线上,则过切点的直线必过焦点。
这是因为,焦点的极线是相应准线(定理3),又交点在准线上,准线上的点的极线就必过焦点(定理1),而定理2又告诉我们这条过焦点的极线恰好经过两切点。
由于在射影平面内,圆的焦点是圆心,准线是无穷远直线,故定理4又可推广为:
定理5 如果常态圆锥曲线的两条切线的交点在准线上,则过切点的直线必过焦点。
(特别:如果圆的两条切线平行,则切点弦是圆的直径)。
不言而喻,更一般还有
定理6 (1)点E是常态二次曲线内部一点,但不是有心二次曲线的中心,如果该曲线的两条切线的交点在点E的极线上,则过切点的直线必过点E.
(2)如果有心二次曲线的两条切线平行,则过切点的直线必过中心点。