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根据图片内容,带有“时钟”的是第3、5、6、7、9张图。

Question

已知过点 A(1,0)A(-1, 0)B(1,0)B(1, 0) 两点的动抛物线的准线始终与圆 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9 相切,该抛物线焦点 PP 的轨迹是某圆锥曲线 EE 的一部分。<br>(1) 求曲线 EE 的标准方程;<br>(2) 已知点 C(3,0)C(-3, 0)D(2,0)D(2, 0) ,过点 DD 的动直线与曲线 EE 相交于 MMNN ,设 CMN\triangle CMN 的外心为 QQOO 为坐标原点,问:直线 OQOQ 与直线 MNMN 的斜率之积是否为定值,如果为定值,求出该定值;如果不是定值,则说明理由。

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解析思路概要:

题目大致分为两部分:

  1. 过定点 A(1,0)A(-1,0)B(1,0)B(1,0) 的“动抛物线”之准线始终与圆 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9 相切,求该抛物线焦点 PP 的轨迹;
  2. 已知点 C(3,0)C(-3,0)D(2,0)D(2,0),过 DD 的动直线与所求轨迹相交于 M,NM,N,再令三角形 CMNCMN 的“外心”(本题应为**“外心”即“CMN\triangle CMN\textbf{外接圆心},也就是“\textbf{circumcenter}**”)为 QQOO 为原点,问直线 OQOQMNMN 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),准线是一条与圆 x2+y2=9x^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) 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:xcosθ+ysinθ=3,\text{准线方程:}\quad x\cos\theta + y\sin\theta = 3,

其中 θ\theta 可视为该直线法线向量与 xx 轴的夹角。

抛物线“过”点 A(1,0)A(-1,0)B(1,0)B(1,0),则

(抛物线定义)dist(A,P)=dist(A,准线),dist(B,P)=dist(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).
  • 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+q2  =  cosθ3,(p1)2+q2  =  cosθ3.\sqrt{(p+1)^2 + q^2} \;=\; |-\cos\theta -3|, \quad \sqrt{(p-1)^2 + q^2} \;=\; |\cos\theta -3|.

两边平方并相减,可较快消去 q2q^2,得到

(p1)2(p+1)2  =  (cosθ3)2(cosθ3)2        4p  =  12cosθ        p=3cosθ.(p-1)^2 - (p+1)^2 \;=\;(\cos\theta -3)^2 - (-\cos\theta -3)^2 \;\;\Longrightarrow\;\; -4p \;=\;-12\,\cos\theta \;\;\Longrightarrow\;\; p = 3\,\cos\theta.

再把两式平方后相加,消去常数后可求

p2+q2  =  cos2θ+8,p^2 + q^2 \;=\;\cos^2\theta + 8,

又因 p=3cosθp=3\cos\theta,故 cos2θ=p29\cos^2\theta = \tfrac{p^2}{9}。代入上式即得

p2+q2  =  p29+8        9p2+9q2  =  p2+72        8p2+9q2  =  72        p29  +  q28  =  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.

可见,(p,q)\,(p,q) 的轨迹正是一条以原点为中心的椭圆

    x29  +  y28  =  1,    \boxed{\;\;\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 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)(它正好是上面椭圆的左端点)、D=(2,0)D=(2,0);从 DD 出发的一条动直线与该椭圆相交于 M,NM,N 两点(都在椭圆上),从而形成三角形 CMNCMN。记其外心(= 外接圆圆心 = circumcenter)为 QQ,原点为 OO。考察直线 OQOQMNMN 的斜率乘积,是否恒定。

要点/难点在于:

  • M,NM,N 随着“过 DD 的不同斜率的直线”而动;
  • CC 也是椭圆上的定点;
  • QQCMN\triangle 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 mm\to\infty)

令过 D(2,0)D(2,0) 的直线为 x=2x=2,与椭圆

x29+y28=1\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{8} = 1

相交时,x=2x=2 代入得

229+y28=1        49+y28=1        y28=59        y=±2103.\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}.

故交点

M=(2,  2103),N=(2,  2103).M = \Bigl(2,\;\tfrac{2\sqrt{10}}{3}\Bigr), \quad N = \Bigl(2,\;-\tfrac{2\sqrt{10}}{3}\Bigr).

再加上 C=(3,0)C=(-3,0)

  • 线段 MNMN 垂直 (斜率 \infty),其中点 RR(2,0)(2,0),故 MNMN 的垂直平分线就是“水平线 y=0y=0”。
  • 另一边 CMCM 的中点、斜率等可以算出相应的垂直平分线,然后与 y=0y=0 相交求得外心 QQ。实际算下来,结果为 Q=(118,0). Q = \Bigl(-\tfrac{1}{18},\,0\Bigr). 这样 OQOQ 就是沿着 x<0x<0 方向的一条水平线,斜率 =0=0。而 MNMN 的斜率是“无限大”(竖线)。
  • 在初等解析几何里,若一条直线斜率 m1=0m_1=0 另一条直线斜率 m2=m_2=\infty,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”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 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) 的直线为 y=x2y = x - 2 (即斜率 m=1m=1),与椭圆

x29+y28=1\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{8} = 1

联立,解得两交点 M,NM,N。再与 C=(3,0)C=(-3,0) 组成三角形 CMNCMN,可通过“坐标+垂直平分线”计算外心 QQ

  • 具体计算(略去繁琐展开)后,可得 QQ 坐标往往并不简单,但可以算出一个确定值,比如 Q=(134,  534) Q = \Bigl(-\tfrac{1}{34},\;\tfrac{5}{34}\Bigr) (这是完整代入后可以得到的结果)。
  • 此时 O=(0,0)O=(0,0) 与该 QQ 连线的斜率为 slope(OQ)  =  534134  =  5. \text{slope}(OQ) \;=\; \frac{\tfrac{5}{34}}{\,-\tfrac{1}{34}\,} \;=\; -5. MNMN 的斜率是 11。它们斜率乘积 = (5)×1=5(-5)\times 1 = -5,明显并不是什么统一的常数(更不是 1-1)。

由此可见,不同斜率的“过 DD 的直线”会使得 CMN\triangle CMN 的外心 QQ 位置不同,从而 OQOQ 的方向(斜率)也不同;在一个例子中,OQOQMNMN“近似垂直”,在另一个例子中,它们的斜率乘积却是 5-5。这就足以说明“并无单一定值”。


2. 结论

  • (1) 焦点 PP 的轨迹是一条以原点为中心的椭圆 x29  +  y28  =  1. \boxed{\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 1.}
  • (2) 对于 CMN\triangle CMN 的外心 QQ,再与原点 OO 连线,与边 MNMN 之斜率乘积,并非恒定\boxed{\text{并非恒定}}
    • 原因如上所示,随“过 DD 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”的不定式情形,或出现其他具体有限值(如 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

  1. 曲线 EE 的标准方程:
x29  +  y28  =  1.\boxed{\frac{x^2}{9} \;+\; \frac{y^2}{8} \;=\; 1.}
  1. 直线 OQOQMNMN 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。)} }

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