一道解析几何题的三种解法

已知椭圆E:x2a2+y2b2=1(a>b>0)所在平面内有一个不与原点重合的点P(x0,y0),过PE的任意两条割线AB,CD,其中A,B,C,D均在椭圆E上.证明:直线ACBD的交点在定直线上.

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分析与解 如图,设直线ACBD的交点为Q,直线ADBC的交点为R,则直线RQ即题中的定直线.

法一 几何方法
如图,设直线AB,CD分别与直线RQ相交于S,T,则利用完全四边形ABCD可得四点S,R,T,Q为共线的调和点列.下面证明直线SRTQP点位置确定,与直线ABCD的作法无关.
%e5%b1%8f%e5%b9%95%e5%bf%ab%e7%85%a7-2016-10-17-%e4%b8%8b%e5%8d%882-58-23A,B处作切线,两条切线交于M;在C,D处作切线,两条切线交于N.根据帕斯卡(Pascal)定理,M,N均在直线ST上,即S,R,T,Q,M,N六点共线.但从图中可以看出,S,M两点只和直线AB有关,与直线CD完全无关,所以我们将直线AB换成任意的另一条直线AB,只要AB通过点P,则形成的S,Q,T,Q四点仍与M,N共线.类似的,可以证明直线SRTQ的位置与直线AB完全无关,而只取决于P点位置,因此原命题得证.

注 帕斯卡(Pascal)定理:如果一个四边形内接于某圆锥曲线,则四边形的两组对边的两个交点与两组对顶点的切线的两个交点四点共线.


法二 混合方法

首先给出引理.

引理 过点P的直线l与椭圆交于S,T两点,X为直线ST上的点,那么P,X调和分割S,T,即“|SX||XT|=|SP||PT|
”与“点X在直线x0xa2+y0yb2=1上”等价.

该引理利用直线的参数方程或定比点差法容易证明,此处从略.

根据引理,我们只需要证明调和分割A,B的点以及调和分割C,D的点在直线RQ上即可(完全四边形的性质).设AB,CD与直线RQ的交点分别为S,T.事实上,对CDQ和截线APB应用梅涅劳斯定理,有|DB||BQ||QA||AC||CP||PD|=1,

对于CDQ和点R应用塞瓦定理,有|DB||BQ||QA||AC||CT||TD|=1,
于是|CP||PD|=|CT||TD|,因此P,T调和分割C,D.类似的,有P,S调和分割A,B.因此原命题得证.

法三 解析方法
ABCDACBD的交点分别为P(x0,y0)Q(x1,y1),只需要证明x0x1a2+y0y1b2=1即可.设A(acosα,bsinα)B(acosβ,bsinβ)C(acosγ,bsinγ)D(acosδ,bsinδ),则AB:xacosα+β2+ybsinα+β2=cosαβ2,CD:xacosγ+δ2+ybsinγ+δ2=cosγδ2,

于是直线ABCD的交点坐标为(acosαβ2sinγ+δ2sinα+β2cosγδ2cosα+β2sinγ+δ2sinα+β2cosγ+δ2,bcosαβ2cosγ+δ2cosα+β2cosγδ2sinα+β2cosγ+δ2cosα+β2sinγ+δ2)
(asinα+β2cosγδ2cosαβ2sinγ+δ2sinα+βγδ2,bcosαβ2cosγ+δ2cosα+β2cosγδ2sinα+βγδ2),
交换γβ就可以得到ACBD的交点坐标,为(asinα+γ2cosβδ2cosαγ2sinβ+δ2sinα+γβδ2,bcosαγ2cosβ+δ2cosα+γ2cosβδ2sinα+γβδ2).
于是我们只需证明(sinα+β2cosγδ2cosαβ2sinγ+δ2)(sinα+γ2cosβδ2cosαγ2sinβ+δ2)+(cosαβ2cosγ+δ2cosα+β2cosγδ2)(cosαγ2cosβ+δ2cosα+γ2cosβδ2)=sinα+βγδ2sinα+γβδ2.
事实上,有LHS=cosγδ2cosβδ2(sinα+β2sinα+γ2+cosα+β2cosα+γ2)+cosγδ2cosαγ2(sinα+β2sinβ+δ2cosα+β2cosβ+δ2)+cosαβ2cosβδ2(sinγ+δ2sinα+γ2cosγ+δ2cosα+γ2)+cosαβ2cosαγ2(sinγ+δ2sinβ+δ2+cosγ+δ2cosβ+δ2)=cosγδ2cosβδ2cosβγ2cosγδ2cosαγ2cosαδ2cosαβ2cosβδ2cosαδ2+cosαβ2cosαγ2cosβγ2=cosγδ2cos(αβ2+δα2)cosβγ2cosγδ2cos(αβ2+βγ2)cosδα2cosαβ2cos(βγ2+γδ2)cosδα2+cosαβ2cos(γδ2+δα2)cosβγ2=sinαβ2sinβγ2cosγδ2cosδα2sinαβ2cosβγ2cosγδ2sinδα2+cosαβ2sinβγ2sinγδ2cosδα2cosαβ2cosβγ2sinγδ2sinδα2=sinαβ2cosγδ2(sinβγ2cosδα2cosβγ2sinδα2)+cosαβ2sinγδ2(sinβγ2cosδα2cosβγ2sinδα2)=sinαβ2cosγδ2sinα+βγδ2+cosαβ2sinγδ2sinα+βγδ2=sinαβ+γδ2sinα+βγδ2=RHS,
因此原命题得证.

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一道解析几何题的三种解法》有一条回应

  1. benzuo说:

    能不能用前面介绍的仿射变换处理?

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