斜率比值定值競(jìng)賽題的思考*

北京市第十二中學(xué)高中部(100071) 劉 剛

定值、定點(diǎn)問題是解析幾何中的熱點(diǎn)問題,在各類考試中頻繁出現(xiàn),它揭示了動(dòng)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中某些幾何量所固有的幾何或代數(shù)性質(zhì),滲透了運(yùn)動(dòng)變化思想,對(duì)于這樣的題目,除了關(guān)注其解法以外,還應(yīng)透過現(xiàn)象看本質(zhì),挖掘相關(guān)結(jié)論,這樣才會(huì)將試題的價(jià)值最大化.下面是2018年全國(guó)高中數(shù)學(xué)聯(lián)賽重慶預(yù)賽第9題的一些思考,供大家參考.

題目設(shè)橢圓C的左、右頂點(diǎn)為A,B(a,0),過右焦點(diǎn)F(1,0)作非水平直線l與橢圓C交于P,Q兩點(diǎn),記直線AP,BQ的斜率分別為k1,k2,試證:為定值,并求此定值(用a的函數(shù)表示).

試題考查了橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程、幾何性質(zhì)、直線和橢圓的位置關(guān)系以及定值問題,考查了設(shè)而不求、轉(zhuǎn)化等數(shù)學(xué)思想方法,檢驗(yàn)了運(yùn)算求解、分析問題與解決問題的能力.試題解法多樣,平中見奇,內(nèi)涵豐富,為不同學(xué)生搭建了施展才能的舞臺(tái),是一道具有研究性學(xué)習(xí)價(jià)值的好題.

試題命制組給出的答案如下:

設(shè)直線l的方程為x=ty+1,代入橢圓C的方程,得設(shè)P(x1,y1),Q(x2,y2),則y1+y2=.兩式相除,得,即.由題意知

從而

點(diǎn)評(píng)解法首先設(shè)出直線l的橫截距式方程,從而避免了討論,接下來與橢圓C的方程聯(lián)立并借助韋達(dá)定理求解,解決過程中之所以將y1+y2與y1y2相除得到,是為了將中的坐標(biāo)齊次化,最后通過系數(shù)對(duì)應(yīng)成比例將問題解決,體現(xiàn)了設(shè)而不求、轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想.

1.試題的另解

思考1試題還有別的解法嗎?

另證1由已知,得A(-a,0),因?yàn)橹本€AP,BQ的斜率分別為k1,k2,且B(a,0),所以直線AP,BQ的方程分別為y-k1(x+a)=0,y-k2(x-a)=0.設(shè)直線l的方程為x-ty-1=0,又直線AB的方程為y=0,所以過A,P,B,Q四點(diǎn)的二次曲線系方程為[y-k1(x+a)]·[y-k2(x-a)]+λy(x-ty-1)=0(λ為參數(shù)),整理,得k1k2x2+(1-λt)y2+(λ-k1-k2)xy+(ak2-ak1-λ)y-a2k1k2=0.與比較系數(shù),得所以ak2-ak1-k1-k2=0,解得.

點(diǎn)評(píng)設(shè)直線AB,CD的方程分別為lAB(x,y)=0,lCD(x,y)=0,直線AC,BD的方程分別為lAC(x,y)=0,lBD(x,y)=0,則過A,B,C,D四點(diǎn)的二次曲線系方程可以寫成lAB(x,y)lCD(x,y)+λlAC(x,y)lBD(x,y)=0(λ為參數(shù)),然后化成一般式方程再與已知曲線方程進(jìn)行系數(shù)比較求解,體現(xiàn)了變換的思想和整體處理的解題策略,提高了解題效率.

圖1

另證2在坐標(biāo)伸縮變換下,橢圓變成了圓x′2+y′2=a2,如圖1,點(diǎn)O,A,P,B,Q,F分別變?yōu)镺′,A′,P′,B′,Q′,F′,連接P′B′,A′Q′,因?yàn)锳′B′是圓O′的直徑,所以∠A′P′B′=∠A′Q′B′=90°.設(shè)直線A′P′,B′Q′的斜率分別為,所以.因?yàn)镕′(1,0),A′(-a,0),B′(a,0),且a＞1,所以|B′F′|=a-1,|A′F′|=a+1,故.

點(diǎn)評(píng)由于橢圓經(jīng)過坐標(biāo)伸縮變換可以變?yōu)閳A,而圓有著很多幾何性質(zhì),因此借助圓并利用平面幾何知識(shí)解決,可以避免繁瑣的代數(shù)運(yùn)算,使解答過程得到簡(jiǎn)化.

2.試題的一般化探究

思考2如果把右焦點(diǎn)F(1,0)改為定點(diǎn)M(m,0)(m/=±a且m/=0),結(jié)論如何?

經(jīng)過探究,得到

性質(zhì)1設(shè)橢圓的左、右頂點(diǎn)分別為A,B,過定點(diǎn)M(m,0)(m/=±a且m/=0)作非水平直線l與橢圓C交于P,Q兩點(diǎn),記直線AP,BQ的斜率分別為k1,k2,則為定值.(請(qǐng)讀者參考以上證明過程.)

3.意外的收獲

思考3直線AP,BQ的交點(diǎn)G有何特點(diǎn)?

由性質(zhì)1,直線AP,BQ的方程分別為y=k1(x+a),y=k2(x-a),作差,得k1(x+a)=k2(x-a),即把代入,解得,由此得到:

性質(zhì)2設(shè)橢圓的左、右頂點(diǎn)分別為A,B,過定點(diǎn)M(m,0)(m/=±a且m/=0)作非水平直線l與橢圓C交于P,Q兩點(diǎn),則直線AP,BQ的交點(diǎn)G在定直線上.

思考4性質(zhì)1,2中有三個(gè)關(guān)鍵要素:①直線l過點(diǎn)M(m,0);②為定值;③直線AP,BQ的交點(diǎn)G在定直線上.顯然,由①推出了②③便得到了性質(zhì)1、2,那么能否由②推出①③以及由③推出①②呢?

經(jīng)過探究,結(jié)論依然成立,由此得到性質(zhì)3,4.

性質(zhì)3設(shè)橢圓的左、右頂點(diǎn)分別為A,B,作非水平直線l與橢圓C交于P,Q兩點(diǎn),記直線AP,BQ的斜率分別為k1,k2,若為定值(m/=±a且m/=0),則

(1)直線l過定點(diǎn)M(m,0);

(2)直線AP,BQ的交點(diǎn)G在定直線上.

證明(1)由已知,得A(-a,0),B(a,0),因?yàn)橹本€AP,BQ的斜率分別為k1,k2,所以直線AP,BQ的方程分別為y-k1(x+a)=0,y-k2(x-a)=0.設(shè)直線l的方程為x-ty-n=0,又直線AB的方程為y=0,所以過A,P,B,Q四點(diǎn)的二次曲線系方程為[y-k1(x+a)]·[y-k2(x-a)]+λy(x-ty-n)=0(λ為參數(shù)),整理得

所以ak2-ak1-nk1-nk2=0,解得.又因?yàn)?所以n=m,故直線l過定點(diǎn)M(m,0).

(2)證明略,請(qǐng)讀者參考性質(zhì)2的證明過程.

性質(zhì)4設(shè)橢圓的左、右頂點(diǎn)分別為A,B,G為直線上一點(diǎn),且不在橢圓C上,直線AG,BG與橢圓C分別交于另一點(diǎn)P,Q,記直線AP,BQ的斜率分別為k1,k2,則

(2)直線PQ過定點(diǎn)M(m,0).

證明從略,讀者可參考性質(zhì)3的證明過程自行給出.

教育家波利亞說過“即使是相當(dāng)好的學(xué)生,當(dāng)他得到問題的解答后,就會(huì)合上書本,找點(diǎn)別的事來干,這樣做,他就錯(cuò)過了解題的一個(gè)重要方面”.如果教師能使學(xué)生在每次解題之后捫心自問:“這道題的解法是否完善?這道題有沒有更好的解題途徑?能不能換個(gè)角度考慮一下?還能不能再推廣呢?”,那么學(xué)生的思維品質(zhì)必然由量變產(chǎn)生徹底的質(zhì)變.探究無止境,感興趣的讀者可以進(jìn)一步探究以上性質(zhì)在雙曲線、拋物線中的相關(guān)結(jié)論,這樣才能真正做到觸類旁通,從而提升核心素養(yǎng).