中点弦
几何名词
对于给定点P和给定的圆锥曲线C,若C上的某条弦AB过P点且被P点平分,则称该弦AB为圆锥曲线C上过P点的中点弦。其中圆锥曲线弦为连接圆锥曲线C上不同两点A、B的线段AB称为圆锥曲线C的弦。
公式
圆锥曲线中点弦公式
抛物线中点弦
抛物线C:x2=2py上,过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为:py-αx=pβ-α2。
中点弦存在的条件:2pβ>α2(点P在抛物线开口内)。
椭圆中点弦公式
椭圆C:x2/a2+y2/b2=1上,过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为:
αx/a2+βy/b2=α2/a2+β2/b2。
中点弦存在的条件:α2/a2+β2/b2<1(点P在椭圆内)。
双曲线中点弦
双曲线C:x2/a2-y2/b2=1上,过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为:
αx/a2-βy/b2=α2/a2-β2/b2。
中点弦存在的条件:(α2/a2-β2/b2)(α2/a2-β2/b2-1)>0(点P不在双曲线、渐近线上以及它们所围成的区域内)。
定理
二次曲线中点弦性质与蝴蝶定理
蝴蝶定理二次曲线一个著名定理,它充分体现了蝴蝶生态美与“数学美”的一致性.不少中数专著或杂志还频繁讨论.本文揭示了它与中点弦性质的紧密联系,并给出统一而简明的证明,指出了一种有用的特殊情形和一种推广形式.
引理:设两条不同的二次曲线
S:F(x,y)=a11x2+2a12xy+a22y2+2a13x+2a23y+a33=0
有A、B、C、D四个公共点,其中无三点共线,则过A、B、C、D四点的任意一条二次曲线S2必可唯一地表示成:
(证明略)
定理1 设三条不同的二次曲线(S、S1、S2)有A、B、C、D四个公共点,其中无三点共线;又直线L0被S、S1、S2各截得一弦.若其中两弦中点重合,则第三弦中点亦重合.
证 设S、S1的方程为(1)、(2),则S2方程可表为(3).因直线L0(设斜率为k)关于二次曲线S、S1、S2的共轭直径分别为:
L:(a11x+a12y+a13)+k(a12x+a22y+a23)=f(x,y)=0
因L、L1都通过L0被S与S1所截得的弦PQ与EF的共同中点O,显然L2也必通过点O,故O也是L0被S2所截得的弦GH的中点.
注 两直线AB和CD或AD和CB或AC和BD都可看做二次曲线S1的特殊情形,甚至E和F重合于O.故本定理包括了蝴蝶定理众多情形.
定理2 设AB∥CD,S和S1是过A、B、C、D四点的任意两条二次曲线.若平行于AB的任意直线与S、S1各有两个交点,则夹在两曲线之间的两线段相等.
证 设AB、CD的中点分别为M、N,又AB∥CD,故直线MN就是AB关于S和S1的共轭直径,故若平行于AB的任意直线被S、S1所截的弦PQ、EF有共同中点O,故有PE=QF,命题得证.
注 由于PQ可为AB与CD之间任意平行弦,皆有PE=QF,故夹在S和S1之间的两曲边区域△1和△2面积相等.[1]它酷似蝴蝶两翼,不过并非轴对称,而是沿AB方向共轭.如果世上真有这样的蝴蝶,飞行亦能平衡自如.
定理1还可推广得到更一般的结论.
定理3 若三条不同的二次曲线S、S1、S2有无三点共线的四个公共点,沿某一确定方向的任意直线L0被S、S1、S2各截得一弦PQ、EF、GH,则三弦中点O、O1、O2之间有向线段之比为常数.
证 不妨取坐标系使确定方向为x轴.于是该方向(k=0)关于S、S1、S2的共轭直径分别为(参见定理1):
L:a11x+a12y+a13=0
L1:b11x+b12y+b13=0
L2:(a11x+a12y+a13)+λ(b11x+b12y+b13)=0
设直线L0方程为y=y0,PQ、EF、GH的中点为O(x0,y0),O1(x1,y0),O2(x2,y0),于是由直径方程知:
a11x0+a12y0+a13=0,b11x1+b12y0+b13=0
(a11x2+a12y0+a13)+λ(b11x2+b12y0+b13)=0
故 a11(x2-x0)=λb11(x2-x1) (4)
即 OO2/O2O1=α (a11≠0时) (5)
其中α=-λb11/a11是与y0无关的常数(由S、S1、S2三曲线确定.当a11=0时,L∥L0可知L0与S无两个交点,故不在本命题讨论之列).
(5)式意即:在指定顺序O、O2、O1之下,两有向线段之比不因L0平行移动而变化.
推论 在定理3条件下,对任意直线L0所截的三弦中点中,任意两点总在第三点同侧或异侧.当O、O1、O2中有两点重合时,第三点也重合.“蝴蝶定理”虽然如自然界的蝴蝶种类一样千变万化,然而万变不离其宗,核心在于中点弦性质.
参考资料
最新修订时间:2024-09-02 07:28
目录
概述
公式
参考资料