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直线与圆锥曲线的代数引擎

解析几何大题的核心引擎是:设直线、联立曲线、得到一元二次方程、使用判别式和韦达。很多题看起来问弦长、面积、斜率、定值、最值,本质都是把目标转成两根的和与积。

标准流程

设直线:

$$ y=kx+m $$

与曲线联立,通常得到

$$ Ax^2+Bx+C=0. $$

若交点为 $P(x_1,y_1)$,$Q(x_2,y_2)$,则

$$ x_1+x_2=-\frac BA,\qquad x_1x_2=\frac CA. $$

同时要有

$$ \Delta=B^2-4AC>0 $$

来保证两个不同交点。

弦长公式

若直线为 $y=kx+m$,则

$$ PQ=\sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}. $$

因为

$$ y_1-y_2=k(x_1-x_2), $$

所以

$$ PQ=\sqrt{1+k^2}\,|x_1-x_2|. $$

$$ (x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2. $$

所以

$$ PQ=\sqrt{1+k^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}. $$

如果直线斜率不存在,要改用 $x=t$ 或用参数式。

中点弦

若弦 $PQ$ 的中点为 $M(x_0,y_0)$,则

$$ x_1+x_2=2x_0,\qquad y_1+y_2=2y_0. $$

中点弦题常用“点差法”:把两点代入曲线方程后相减,得到斜率关系。

面积表达

三角形面积常见写法:

  1. 以弦长为底,高为点到直线距离。
  2. 用坐标行列式:
$$ S_{\triangle OPQ}=\frac12|x_1y_2-x_2y_1|. $$
  1. 若 $y=kx+m$,则
$$ x_1y_2-x_2y_1=m(x_1-x_2). $$

这个式子在过定点直线与圆锥曲线围成面积题中很常用。

设直线的选择

  1. 过定点 $(x_0,y_0)$:设 $y-y_0=k(x-x_0)$。
  2. 截距相关:设 $\frac xa+\frac yb=1$。
  3. 斜率可能不存在:用一般式或单独讨论。
  4. 过焦点:根据焦点坐标设点斜式。
  5. 与曲线对称轴有关:考虑水平线或竖直线特殊情况。

常见错误

  1. 忘记 $\Delta>0$。
  2. 把 $x_1-x_2$ 当成弦长。
  3. 用 $y=kx+m$ 漏掉竖直线。
  4. 韦达式写对了,但目标表达错了。
  5. 化简时没有利用曲线本身的参数关系,例如 $a^2=b^2+c^2$。

训练题

  1. 直线 $y=kx+m$ 与椭圆联立后得到 $Ax^2+Bx+C=0$,写出两交点横坐标的和与积。
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若两交点横坐标为 $x_1,x_2$,则

$$ x_1+x_2=-\frac BA,\qquad x_1x_2=\frac CA. $$
  1. 已知 $x_1+x_2=3$,$x_1x_2=2$,求 $(x_1-x_2)^2$。
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$$ (x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=9-8=1. $$
  1. 直线 $y=2x+1$ 与曲线交于 $P,Q$,若 $|x_1-x_2|=3$,求 $PQ$。
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$$ PQ=\sqrt{1+2^2}\cdot3=3\sqrt5. $$
  1. 若 $P,Q$ 在直线 $y=kx+m$ 上,说明 $y_1-y_2$ 与 $x_1-x_2$ 的关系。
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因为 $y_i=kx_i+m$,所以

$$ y_1-y_2=k(x_1-x_2). $$
  1. 为什么大题中设 $y=kx+m$ 前要考虑斜率不存在?
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$y=kx+m$ 只能表示非竖直直线。若题目中的直线可能是竖直线,直接这样设会漏解或漏特殊情况。

讲题追问

联立以后不要急着算根。先问:这题到底需要 $x_1+x_2$、$x_1x_2$、$x_1-x_2$,还是点到直线距离?目标决定保留哪些代数结构。