每日一题[16] 抛物线的光学性质

本题是2015年北京市东城区高二期末考试的选择最后一题改成的填空题.题干简洁干净,考察点也同样清晰明朗;难度方面,思路入口宽,但想要真正解出并不容易.总的来说就是小巧的试题,深厚的背景,是道难得的好题.

 点\(P\)到点\(A\left(\dfrac 12,0\right),B(a,2)\)及到直线\(x=-\dfrac 12\)的距离都相等,如果这样的点恰好只有一个,那么\(a\)的值是________.


cover正确答案是\(\pm\dfrac 12\).

注意到\(P\)点在以\(A\)为焦点,直线\(x=-\dfrac 12\)为准线的抛物线\(E:y^2=2x\)上.因此可设\(P\left(2t^2,2t\right)\),于是由\(P\)到焦点\(A\)与到点\(B\)的距离相等,得\[2t^2+\dfrac 12=\sqrt{(2t^2-a)^2+(2t-2)^2},\]整理得\[(2-4a)t^2-8t+a^2+\dfrac{15}4=0.\]该方程的解集有且只有一个元素,因此\[2-4a=0\lor\begin{cases}2-4a\neq 0\\\Delta=0,\end{cases}\]即\[a=\dfrac 12\lor a=-\dfrac 12.\]

这一解法思路简单,也有可行性,但其中涉及到解一个三次方程,运算量不低.另外,解法平淡无奇,没有美感.有没有漂亮的解法呢?

我们知道,解析几何是几何的一个分支,因此解析几何试题应当从几何的层面找寻本源.\(P\)到\(A\)与\(P\)到\(B\)的距离相等,于是问题可以转化为线段\(AB\)的垂直平分线\(l\)与抛物线只有一个公共点,这包含两种情形.

 第一种情形,\(l\)与抛物线的对称轴平行.此时\[l:y=1,\]于是\[a=\dfrac 12.\]

QQ20150202-2第二种情形,\(l\)与抛物线相切.如图,过\(P\)作射线\(PM\parallel x\)轴.根据抛物线的几何性质,\(\angle 1=\angle 3\),因此\(\angle 1=\angle 2=\angle 3\),于是\(PB\parallel x\)轴.因此\(P\)点坐标为\((2,2)\),进而\[PB=PA=2+\dfrac 12,\]解得\[a=-\dfrac 12.\]

QQ20150202-1

综合以上两种情形,我们就得到了答案.

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