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86.从包络到二次曲线系

一.基本原理

1.直线族的包络曲线定义为:直线族中的每一条直线都是该曲线上某点处的切线,且该曲线上的每一点处的切线都是该直线族中的某条直线.

2.微分几何中已经给出曲线系包络线的一般解法:因为曲线上任一点均满足,又由曲线与曲线相切时的切线方程相同,可知关于的函数对的导数等于0,即包络曲线上的任一点均满足下列方程组:消去参数,即可求得包络曲线的方程.

3.二次曲线系核心定理:给定五个点,其中任何三个点都不共线,则过这五个点有且仅有一条圆锥曲线.进一步可得:由组成的曲线:.

圆锥曲线上的四点共圆问题:设圆锥曲线方程为,则存在四点共圆的情况必为,由于没有的项,必有.

证明:由组成的曲线即

所以经过它与的四个交点的二次曲线一定能表示成以下形式不同时为0):

必要性.若四个交点共圆,则存在使方程①表示圆,所以式①左边的展开式中含项的系数.而(否则③表示曲线,不表示圆),所以.

充分性.当时,式①左边的展开式中不含的项,选时,再令式①左边的展开式中含项的系数相等,即,得.

此时曲线①即

的形式,这种形式表示的曲线有且仅有三种情形:一个圆、一个点、无轨迹.而题中的四个交点都在曲线②上,所以曲线②表示圆.这就证得了四个交点共圆.

二.典例分析

例1(湖北省部分地市州25届高三元月联考).直线族是指具有某种共同性质的直线的全体,例如表示过点的直线族(不包括直线).直线族的包络曲线定义为:直线族中的每一条直线都是该曲线上某点处的切线,且该曲线上的每一点处的切线都是该直线族中的某条直线.已知直线族,则下列说法正确的是(???)

A.若,则该直线族的包络曲线为圆

B.若,则该直线族的包络曲线为椭圆

C.当时,点可能在直线族上

D.当时,曲线是直线族的包络曲线

解析:对于A,设圆:上的点为,直线的斜率为,过点作圆的切线,由,得,所以切线的方程为,即,故A正确;

对于B,设椭圆上的点为,过点作圆的切线,当切线斜率存在时,设,,联立得:,

所以,.作商:,得,所以切线的方程为,即;

当切线斜率不存在时,或,则切线方程和亦满足,故B正确;

对于C,将代入得,构造,,当时,;当,.所以在上单调递减,在上单调递增,因而当时,取到最小值,所以在无零点,无解,故C错误;

对于D,若不在直线族上,则将代入直线得无解,则,所以,因而可得当在曲线上时,则一定在直线族上,

联立和得,所以,故直线和相切,又不包括直线,所以是直线族的包络曲线,故D正确.故选:ABD.

例2.一曲线族的包络线(Envelope)是这样的曲线:该曲线不包含于曲线族中,但过该曲线上的每一点,都有曲线族中的一条曲线与它在这一点处相切,若圆:是直线族的包络线,则,满足的关系式为_________;若曲线是直线族的包络线,则的长为__________.

解析:由题意,若圆:是直线族的包络线,可得,可得;又由曲线是直线族的包络线,可得为定值,则,可得,此时,

所以曲线的方程为,所以曲线的周长为.故答案为:;.

例3.造纸术是中国四大发明之一,彰显了古代人民的智慧.根据史料记载盛唐时期折纸艺术开始流行,19世纪折纸与数学研究相结合,发展成为折纸几何学.在一次数学探究课上,学生们研究了圆锥曲线的包络线折法.如图,在一张矩形纸片上取一点,记矩形一边所在直线为,将点折叠到上(即),不断重复这个操作,就可以得到由这些折痕包围形成的抛物线,这些折痕就是抛物线的包络线.在抛物线的所有包络线中,恰好过点的包络线所在的直线方程为_________.

??

解析:依题意,抛物线的每条包络线与该抛物线相切,显然过点的包络线所在的直线斜率存在,设方程为,由消去并整理得:,则,解得,所以所求直线方程为.故答案为:

例4.若集合A表示由满足一定条件的全体直线组成的集合,定义:若集合中的每一条直线都是某圆上一点处的切线,且该圆上每一点处的切线都是中的一条直线,则称该圆为集合的包络圆.

(1)若圆是集合的包络圆.

(i)求a,b满足的关系式;

(ii)若,求的取值范围;

(2)若集合的包络圆为C,P是上任意一点,判断轴上是否存在定点M,N,使得,若存在,求出点M,N的坐标;若不存在,请说明理由.

解析:(1)(i)因为圆是集合的包络圆,所以圆心到直线的距离为2,即,化简得,即a,b满足的关系式为.

(ii)由及,可得圆与直线有公共点,

所以,解得,故的取值范围是.

(2)设,由题意可知点到直线的距离为与无关的定值,

即为与无关的定值,所以,.故,此时,.所以的方程为,设,则,即,假设轴上存在定点,,使得,设,,

则,

所以解得或所以,或,.

例5.直线族是指具有某种共同性质的直线的全体,例如表示过点的直线族(不包括直线轴),直线族的包络曲线定义为:直线族中的每一条直线都是该曲线上某点处的切线,且该

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