椭圆与圆幂定理

Lichium 于 2025-03-07 发布 浏览量

我们来看一道题:

题目

椭圆$\Gamma$ : $\frac{x^{2}}{4}+y^{2}=1$,左顶点为$C$. 过$P(-2,1)$的直线交$\Gamma$ 于$A$、$B$($A$在$B$左侧),连接$BC$,过$A$作$x$轴垂线交$BC$于$D$,求$AD$中点$E$所在直线方程.

分析

拿到这道题第一个思路大概是设直线方程解点硬算,或者设点解点还是硬算,缺乏美感.

  1. 第一个简化办法是参数方程,不过只简化了椭圆方程联立这一步,效果不显著.
  2. 第二个简化办法,即然已经参数方程了,为什么不仿射回单位圆,再参数方程?此题不涉及线段长度,适合仿射.
  3. 第三个简化方法,注意到$AD//PC$,平行线分线段成比例,那么记$PC$中点为$M$,有$\frac{ME}{MB}=\frac{PA}{PB}$。我们可以利用向量求出$E$坐标.
  4. 第四个简化方法,上述比例使我们想到圆幂定理,事实上这完全可行.

简记:$c=\cos\theta$ ,$s=\sin\theta$.
进行仿射:$x\mapsto \frac{x}{2}$,得到单位圆,此时$P(-1,1),M\left( -1,\frac{1}{2} \right)$. 设$B(c,s)$.
由圆幂定理得:
\(PA\cdot PB=PA\cdot \sqrt{ (c+1)^{2}+(s-1)^{2} }=PA\cdot \sqrt{ 3+2c-2s }=1\)
可得:
\(\frac{ME}{MB}=\frac{PA}{PB}=\frac{PA}{\sqrt{ 3+2c-2s }}=\frac{1}{3+2c-2s }:=\lambda\)
向量关系(定比分点):
\(\begin{align} \overrightarrow{BM}&=-\frac{1}{\lambda}\overrightarrow{ME}\\ -1=\frac{\lambda c-x_{E}}{\lambda-1},&\ \frac{1}{2}=\frac{\lambda s-y_{E}}{\lambda-1}\\ y_{E}-\frac{1}{2}&=\lambda\left(s-\frac{1}{2}\right)\tag{1} \\ x_{E}+1&=\lambda(c+1)\tag{2} \end{align}\)
(1)与(2)作差:
\(\left( y_{E}-\frac{1}{2} \right)-(x+1)=\lambda\left( s-c-\frac{3}{2} \right)=-\frac{1}{2}\)
$E$在直线$y=x+1$上.
注意仿射回原坐标系!
$E$在直线$y=\frac{1}{2}x+1$上.

遗留问题

E所在直线恰好是P关于椭圆的极线,这是巧合吗?
这个流程必须使用仿射,而仿射在高考中可能得不到分。但整个流程自然优美,重在思考,减少计算,应当是高考所鼓励的。