对称法作圆锥曲线的切线

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对称法作圆锥曲线的切线
徐叶琴 江苏张家港市乐余高级中学
许多资料文献,如近期的文[1]、[2]、[3]都介召了圆锥曲线的切线的尺规作法。

那么,作圆锥曲线的切线是否存在规律,有没有统一的尺规作法呢?
1、切线方程与切点弦方程
大家知道,曲线如果在某一点处可导,那么该点处的导数的几何意义是该点处切线的
斜率。

以椭圆型函数为例,设)()000,,,y a b x a P x y =
>>≤为其图象上异
于长轴端点的任意一点,利用复合函数求导法则,0
20
20
x x b x y a y ='==-
;对于
)0,y a b x a =>>≤,也有0202
x x b x y a y ='=-。

如果利用隐函数求导法则,对22
2
2
22
2
2
0,220b x a y a b b x a y y '+-=+⋅=有,当()00,P x y 为其上一点,
()0
20
020
0x x b x y y a y ='=-≠。

这样在()00,P x y 处的切线方程为222200b x x a y y a b +=。


00y =时,切线为x a =±,也适合上式。

故椭圆曲线上任意一点处的切线方程为
2
2
22
00b x x a y y a b +=。

()
00,P x y 处切线方程的纵、横截距分别为200,b E y ⎛⎫
' ⎪⎝
⎭、
20,0a D x ⎛⎫
' ⎪⎝⎭
,具有对称性。

当()00,P x y 在椭圆外,即22222200b x a y a b +>时,过()00,P x y 的切线有两条。

设切点为()11,R x y 、()22,S x y ,则切线PR 、PS 方程分别为2
2
22
11b x x a y y a b +=和
222222b x x a y y a b +=,()00,p x y 在切线上,故有22221010b x x a y y a b +=和
22222020b x x a y y a b +=,
此两式又表明()11,R x y 、()22,S x y 满足2222
00b x x a y y a b +=,
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故对应于点()00,P x y 的切点弦RS 所在直线方程为222200b x x a y y a b +=,切点弦的纵、
横截距也为2
0,
b E
y ⎛⎫' ⎪⎝⎭、20,0a D x ⎛⎫
' ⎪⎝⎭
,切点弦的纵、横截距的对称性,为我们寻找切点的位置,统一圆锥曲线的尺规作法提供了思路。

2、圆锥曲线切线的统一尺规作法 2.1椭圆的切线
设椭圆C 的方程为()22
2210x y a b a b
+=>>,点()00,P x y 为椭圆外一点,切线PR 、
PS 分别与椭圆相切于R 、S 点,则切点弦RS 所在的直线方程为222200b x x a y y a b +=。

利用平面几何中直角三角形的比例中项定理,结合对称找点法,可以利用直尺和圆规确定
两个切点的位置。

作法:
⑴分别在两坐标轴上截得()0,0M x 、(),0B b 和()00,N y 、()0,A a 四点; ⑵作DA AM ⊥,,DA x D EB BN ⊥与轴交于,EB 与y 轴交于E ;
⑶作D 、E 关于原点对称点D '、E ',作直线D E ''与椭圆相交于R 、S ;
⑷连结PR 、PS ,则PR 、PS 为椭圆过点P 的切线。

证明:如图⑴所示,由作法,
,DA DM AO AM ⊥⊥ 又,由比例中项定理得2
0D a x x =⋅,必有0D x x 与异号,
2
,D a x x ∴=-D D ' 与关于原点对称,
20D a x x '∴=有,同理2
E b y y '=, D E ''∴直线方程为
00221x x y y
a b
+=,故切点
)00,x y
5
弦所在直线方程为222200b x x a y y a b +=,相应地,直线PR 、PS 与椭圆相切于R 、S 点。

证毕。

特别地,当()00,P x y 在椭圆上时,如图⑵所示,切点弦退化为切线。

只须找到切线
之横截距20,0a D x ⎛⎫
' ⎪⎝⎭。

作P
M x ⊥轴于()0,0M x ,()0,A a ,作D A A M ⊥,DA 交ox 于D 点,D 关于原点的对称点为D ',连PD ',即椭圆C 在点P 处的切线。

2.2双曲线的切线
设双曲线C 的方程为()22
2210,0x y a b a b
-=>>,()00,P x y 为双曲线C 外(不含焦
点区域),且不在渐近线上的任意一点,PR 、PS 是过点P 的双曲线C 的两条切线,则切点
弦所在直线方程为2
2
22
00b x x a y y a b -=。

直线RS 的纵横截距分别为200,b y ⎛⎫- ⎪⎝
⎭、20,0a x ⎛⎫
⎪⎝⎭。

作法:
⑴分别在x 、y 轴上截得()0,0M x 、(),0B b 和()00,N y 、()0,A a 四点; ⑵作DA AM ⊥,,DA x D EB BN ⊥交轴交于,EB 与y 轴交于E ;
⑶仅作D 关于原点对称点D ',连结D E '与双曲线C 交于R 、S 两点;
⑷连结PR 、PS ,则PR 、PS 为双曲线C 的过点P 的两条切线。

证明:如图⑶所示,由作法,()0,0M x 、
()0,A a ,DA AM AO DM ⊥⊥ ,
∴有20D a x x =⋅, 0D x x 与异号,2
,D a x x ∴=-D D '又与关于原点
对称,2
0D a x x '∴=,即20,0a D x ⎛⎫' ⎪⎝⎭

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同理200,b E y ⎛⎫- ⎪⎝
⎭,∴直线D E '方程为
222200b x x a y y a b -=,即切点弦RS所在直线方程,故PR 、PS 为双曲线C 过点P 的两
条切线。

证毕。

特别地,当()00,P x y 在双曲线上时,且异于顶点时,如图⑷所示,作法简化。

只须作PM ox ⊥,点()0,A a ,作DA AM ⊥,DA 交x 轴于D ,D 关于原点的对称点为D ',连PD ',则PD '与双曲线C 相切于P 点。

(证略)
2.3设抛物线的切线
设抛物线C 的方程为()220y px p =>,()00,P x y 为抛物线C 外(不含焦点区域,且不在对称轴上)的任意一点,PR 、PS 为抛物线C 的过P 点的两条切线,R 、S 为切点。

则切点弦方程为()00y y p x x =+,利用对称法作切线步骤如下:
作法:
⑴作PD ox ⊥于D ,作D 点关于原点的对称点()0,0D x '-; ⑵作直线//PQ ox ,与抛物线C 交于Q ,作P 关于Q 的对称点M ; ⑶连MD ',交抛物线于R 、S 两点;
⑷作直线PR 、PS ,即为抛物线的过点P 的两条切线。

证明:如图⑸所示,()0,0D x '-,
//PQ ox ,0Q y y ∴=,
Q 在抛物线上,2
2Q y x p
∴=,又M 、P 关于Q 点中心对称,故2
000,y M x y p ⎛⎫- ⎪⎝⎭。

∴直线D M '的方程
为00
()p
y x x y =
+,即切点弦所在直线为
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()00y y p x x =+,∴PR 、PS 为点P 处的抛物线C 的两条切线。

证毕。

特别地,如图⑹所示,当()00,P x y 在抛物线上时,且异于顶点时,只须作PD ox ⊥于D ,作D 关于原点的对称点()0,0D x '-,连PD ',即切线()00y y p x x =+。

当()00,0,0P x x <时,只要作P 关于原点O 的对称点()0,0D x -,再作DR ox ⊥交抛物线于R 、S ,PR 、PS 即过点P 的两条切线。

抛物线C 的顶点处的一条切线,即y 轴。

用对称法作圆锥曲线的切线,不仅沟通了椭圆、双曲线、抛物线三种圆锥曲线的切线的尺规作法,而且揭示了点在曲线外、点在曲线上作切线的一般和特殊的辩证关系;导数知识和切线作法密切联系,展示了数学科学的对称美、和谐美和自然美,是数学园地一束绚丽花絮。

参考文献:
1季福根 椭圆切线的尺规作法 数学通报2003.11
2黄伟亮 双曲线、抛物线切线的尺规作法 数学通报2004.12 3吴进 一个有趣的发现及其推广 数学通报 2005.1。