解析思路概要:
题目大致分为两部分:
过定点 A ( − 1 , 0 ) A(-1,0) A ( − 1 , 0 ) 、B ( 1 , 0 ) B(1,0) B ( 1 , 0 ) 的“动抛物线”之准线始终与圆 x 2 + y 2 = 9 x^2 + y^2 = 9 x 2 + y 2 = 9 相切,求该抛物线焦点 P P P 的轨迹;
已知点 C ( − 3 , 0 ) C(-3,0) C ( − 3 , 0 ) 、D ( 2 , 0 ) D(2,0) D ( 2 , 0 ) ,过 D D D 的动直线与所求轨迹相交于 M , N M,N M , N ,再令三角形 C M N CMN CMN 的“外心”(本题应为**“外心”即“△ C M N \triangle CMN △ CMN 的 \textbf{外接圆心},也就是“ \textbf{circumcenter}**”)为 Q Q Q ,O O O 为原点,问直线 O Q OQ OQ 与 M N MN MN 的斜率之积是否为常数;若是,求出该常数;若否,则说明理由。
第一部分:焦点轨迹是椭圆
令抛物线的焦点为 P = ( p , q ) P=(p,q) P = ( p , q ) ,准线是一条与圆 x 2 + y 2 = 9 x^2+y^2=9 x 2 + y 2 = 9 相切的直线。由于该圆半径为 3,凡与此圆相切的直线,其到原点 O = ( 0 , 0 ) O=(0,0) O = ( 0 , 0 ) 的距离必为 3。可取下述“极坐标”式参数来表示这条准线(不妨先考虑“正向”情形):
准线方程: x cos θ + y sin θ = 3 , \text{准线方程:}\quad x\cos\theta + y\sin\theta = 3, 准线方程: x cos θ + y sin θ = 3 ,
其中 θ \theta θ 可视为该直线法线向量与 x x x 轴的夹角。
抛物线“过”点 A ( − 1 , 0 ) A(-1,0) A ( − 1 , 0 ) 与 B ( 1 , 0 ) B(1,0) B ( 1 , 0 ) ,则
(抛物线定义) d i s t ( A , P ) = d i s t ( A , 准线 ) , d i s t ( B , P ) = d i s t ( B , 准线 ) . \text{(抛物线定义)}\quad
\mathrm{dist}\bigl(A,P\bigr)=\mathrm{dist}\bigl(A,\text{准线}\bigr),
\quad
\mathrm{dist}\bigl(B,P\bigr)=\mathrm{dist}\bigl(B,\text{准线}\bigr). ( 抛物线定义 ) dist ( A , P ) = dist ( A , 准线 ) , dist ( B , P ) = dist ( B , 准线 ) .
其中
(\mathrm{dist}\bigl(A,P\bigr)
= \sqrt{(p+1)^2 + q^2},)
(\mathrm{dist}\bigl(A,\text{准线}\bigr)
= \bigl|,(-1)\cos\theta + 0\cdot \sin\theta - 3\bigr|
= | -\cos\theta - 3|).
同理,
(\mathrm{dist}\bigl(B,P\bigr)
= \sqrt{(p-1)^2 + q^2},)
(\mathrm{dist}\bigl(B,\text{准线}\bigr)
= \bigl|,1\cdot \cos\theta + 0\cdot \sin\theta - 3\bigr|
= |\cos\theta - 3|.)
于是得到两组方程:
( p + 1 ) 2 + q 2 = ∣ − cos θ − 3 ∣ , ( p − 1 ) 2 + q 2 = ∣ cos θ − 3 ∣ . \sqrt{(p+1)^2 + q^2} \;=\; |-\cos\theta -3|,
\quad
\sqrt{(p-1)^2 + q^2} \;=\; |\cos\theta -3|. ( p + 1 ) 2 + q 2 = ∣ − cos θ − 3∣ , ( p − 1 ) 2 + q 2 = ∣ cos θ − 3∣.
两边平方并相减,可较快消去 q 2 q^2 q 2 ,得到
( p − 1 ) 2 − ( p + 1 ) 2 = ( cos θ − 3 ) 2 − ( − cos θ − 3 ) 2 ⟹ − 4 p = − 12 cos θ ⟹ p = 3 cos θ . (p-1)^2 - (p+1)^2 \;=\;(\cos\theta -3)^2 - (-\cos\theta -3)^2
\;\;\Longrightarrow\;\;
-4p \;=\;-12\,\cos\theta \;\;\Longrightarrow\;\; p = 3\,\cos\theta. ( p − 1 ) 2 − ( p + 1 ) 2 = ( cos θ − 3 ) 2 − ( − cos θ − 3 ) 2 ⟹ − 4 p = − 12 cos θ ⟹ p = 3 cos θ .
再把两式平方后相加,消去常数后可求
p 2 + q 2 = cos 2 θ + 8 , p^2 + q^2 \;=\;\cos^2\theta + 8, p 2 + q 2 = cos 2 θ + 8 ,
又因 p = 3 cos θ p=3\cos\theta p = 3 cos θ ,故 cos 2 θ = p 2 9 \cos^2\theta = \tfrac{p^2}{9} cos 2 θ = 9 p 2 。代入上式即得
p 2 + q 2 = p 2 9 + 8 ⟹ 9 p 2 + 9 q 2 = p 2 + 72 ⟹ 8 p 2 + 9 q 2 = 72 ⟹ p 2 9 + q 2 8 = 1. p^2 + q^2
\;=\; \frac{p^2}{9} + 8
\;\;\Longrightarrow\;\;
9p^2 + 9q^2 \;=\; p^2 + 72
\;\;\Longrightarrow\;\;
8p^2 + 9q^2 \;=\; 72
\;\;\Longrightarrow\;\;
\frac{p^2}{9} \;+\; \frac{q^2}{8} \;=\; 1. p 2 + q 2 = 9 p 2 + 8 ⟹ 9 p 2 + 9 q 2 = p 2 + 72 ⟹ 8 p 2 + 9 q 2 = 72 ⟹ 9 p 2 + 8 q 2 = 1.
可见, ( p , q ) \,(p,q) ( p , q ) 的轨迹正是一条以原点为中心的椭圆
x 2 9 + y 2 8 = 1 , \boxed{\;\;\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 1,\;\;} 9 x 2 + 8 y 2 = 1 ,
这回答了题目的第一问。
第二部分:斜率之积是否为定值?
题意:令 C = ( − 3 , 0 ) C=(-3,0) C = ( − 3 , 0 ) (它正好是上面椭圆的左端点)、D = ( 2 , 0 ) D=(2,0) D = ( 2 , 0 ) ;从 D D D 出发的一条动直线与该椭圆相交于 M , N M,N M , N 两点(都在椭圆上),从而形成三角形 C M N CMN CMN 。记其外心(= 外接圆圆心 = circumcenter)为 Q Q Q ,原点为 O O O 。考察直线 O Q OQ OQ 与 M N MN MN 的斜率乘积,是否恒定。
要点/难点在于:
M , N M,N M , N 随着“过 D D D 的不同斜率的直线”而动;
C C C 也是椭圆上的定点;
Q Q Q 是 △ C M N \triangle CMN △ CMN 的外接圆心,几何上须用“两条边的垂直平分线 ”求交,坐标表达往往比较繁。
1. 用具体斜率举例,发现结果并不固定
一个常见的思路是:
若真是定值,则对“特殊斜率”算出的结果也应一致;
若算出不同斜率给出不同结果,即可断言“并不恒定”。
下面演示两个典型斜率(包括无穷大斜率)就能看出结果并不相同,从而否定“恒为常数”。
例 1:直线取“垂直”情形 (斜率 m → ∞ m\to\infty m → ∞ )
令过 D ( 2 , 0 ) D(2,0) D ( 2 , 0 ) 的直线为 x = 2 x=2 x = 2 ,与椭圆
x 2 9 + y 2 8 = 1 \frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{8} = 1 9 x 2 + 8 y 2 = 1
相交时,x = 2 x=2 x = 2 代入得
2 2 9 + y 2 8 = 1 ⟹ 4 9 + y 2 8 = 1 ⟹ y 2 8 = 5 9 ⟹ y = ± 2 10 3 . \frac{2^2}{9} + \frac{y^2}{8} = 1
\;\;\Longrightarrow\;\;
\frac{4}{9} + \frac{y^2}{8} = 1
\;\;\Longrightarrow\;\;
\frac{y^2}{8} = \frac{5}{9}
\;\;\Longrightarrow\;\;
y = \pm \frac{2\sqrt{10}}{3}. 9 2 2 + 8 y 2 = 1 ⟹ 9 4 + 8 y 2 = 1 ⟹ 8 y 2 = 9 5 ⟹ y = ± 3 2 10 .
故交点
M = ( 2 , 2 10 3 ) , N = ( 2 , − 2 10 3 ) . M = \Bigl(2,\;\tfrac{2\sqrt{10}}{3}\Bigr),
\quad
N = \Bigl(2,\;-\tfrac{2\sqrt{10}}{3}\Bigr). M = ( 2 , 3 2 10 ) , N = ( 2 , − 3 2 10 ) .
再加上 C = ( − 3 , 0 ) C=(-3,0) C = ( − 3 , 0 ) 。
线段 M N MN MN 垂直 (斜率 ∞ \infty ∞ ),其中点 R R R 在 ( 2 , 0 ) (2,0) ( 2 , 0 ) ,故 M N MN MN 的垂直平分线就是“水平线 y = 0 y=0 y = 0 ”。
另一边 C M CM CM 的中点、斜率等可以算出相应的垂直平分线,然后与 y = 0 y=0 y = 0 相交求得外心 Q Q Q 。实际算下来,结果为
Q = ( − 1 18 , 0 ) . Q = \Bigl(-\tfrac{1}{18},\,0\Bigr). Q = ( − 18 1 , 0 ) .
这样 O Q OQ OQ 就是沿着 x < 0 x<0 x < 0 方向的一条水平线,斜率 = 0 =0 = 0 。而 M N MN MN 的斜率是“无限大”(竖线)。
在初等解析几何里,若一条直线斜率 m 1 = 0 m_1=0 m 1 = 0 另一条直线斜率 m 2 = ∞ m_2=\infty m 2 = ∞ ,可说它们互相垂直(负倒数关系在极限意义下也成立),但数值上“0 × ∞ 0\times\infty 0 × ∞ ”并没有固定的有限值可言。
若有人把“垂直”理解成“斜率乘积 = -1”,那么 0 × ∞ 0\times\infty 0 × ∞ 在严格代数上是不定式,但在“极限+符号”意义下可以说这对直线互相垂直。但无论如何,这种情形并没有给出一个“有限的、固定的乘积”。
例 2:直线取“斜率 = 1”情形
令过 D ( 2 , 0 ) D(2,0) D ( 2 , 0 ) 的直线为 y = x − 2 y = x - 2 y = x − 2 (即斜率 m = 1 m=1 m = 1 ),与椭圆
x 2 9 + y 2 8 = 1 \frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{8} = 1 9 x 2 + 8 y 2 = 1
联立,解得两交点 M , N M,N M , N 。再与 C = ( − 3 , 0 ) C=(-3,0) C = ( − 3 , 0 ) 组成三角形 C M N CMN CMN ,可通过“坐标+垂直平分线”计算外心 Q Q Q 。
具体计算(略去繁琐展开)后,可得 Q Q Q 坐标往往并不简单,但可以算出一个确定值,比如
Q = ( − 1 34 , 5 34 ) Q = \Bigl(-\tfrac{1}{34},\;\tfrac{5}{34}\Bigr) Q = ( − 34 1 , 34 5 )
(这是完整代入后可以得到的结果)。
此时 O = ( 0 , 0 ) O=(0,0) O = ( 0 , 0 ) 与该 Q Q Q 连线的斜率为
slope ( O Q ) = 5 34 − 1 34 = − 5. \text{slope}(OQ)
\;=\; \frac{\tfrac{5}{34}}{\,-\tfrac{1}{34}\,}
\;=\; -5. slope ( OQ ) = − 34 1 34 5 = − 5.
而 M N MN MN 的斜率是 1 1 1 。它们斜率乘积 = ( − 5 ) × 1 = − 5 (-5)\times 1 = -5 ( − 5 ) × 1 = − 5 ,明显并不是什么统一的常数(更不是 − 1 -1 − 1 )。
由此可见,不同斜率的“过 D D D 的直线”会使得 △ C M N \triangle CMN △ CMN 的外心 Q Q Q 位置不同,从而 O Q OQ OQ 的方向(斜率)也不同;在一个例子中,O Q OQ OQ 与 M N MN MN “近似垂直”,在另一个例子中,它们的斜率乘积却是 − 5 -5 − 5 。这就足以说明“并无单一定值”。
2. 结论
(1) 焦点 P P P 的轨迹是一条以原点为中心的椭圆
x 2 9 + y 2 8 = 1. \boxed{\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 1.} 9 x 2 + 8 y 2 = 1.
(2) 对于 △ C M N \triangle CMN △ CMN 的外心 Q Q Q ,再与原点 O O O 连线,与边 M N MN MN 之斜率乘积,并非恒定 \boxed{\text{并非恒定}} 并非恒定 。
原因如上所示,随“过 D D D 的不同斜率”而改变,算出的数值不一;在某些极端情形(如竖线)甚至出现“0 × ∞ 0\times\infty 0 × ∞ ”的不定式情形,或出现其他具体有限值(如 − 5 -5 − 5 ),所以不存在唯一常数 。
换言之,若题目只问“是否恒为定值?若是则求出;若否则说明理由”,则答案是:
“不恒定。理由:改换不同斜率的割线可得出不同的斜率乘积(甚至出现与上一情形完全不一样的结果),故并无固定值。”
最终答案
曲线 E E E 的标准方程:
x 2 9 + y 2 8 = 1. \boxed{\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 1.} 9 x 2 + 8 y 2 = 1.
直线 O Q OQ OQ 与 M N MN MN 的斜率之积是否为定值?
不是定值。 (不同割线给出的数值不同,故不恒定。) \boxed{\text{不是定值。}
\quad
\text{(不同割线给出的数值不同,故不恒定。)}
} 不是定值。 ( 不同割线给出的数值不同,故不恒定。 )