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求轨迹方程问题—6大常用方法
知识梳理:
(一)求轨迹方程的一般方法:
1. 待定系数法:如果动点P的运动规律合乎我们已知的某种曲线(如圆、椭圆、双曲线、抛物线)的定义,则可先设出轨迹方程,再根据已知条件,待定方程中的常数,即可得到轨迹方程,也有人将此方法称为定义法。
2. 直译法:如果动点P的运动规律是否合乎我们熟知的某些曲线的定义难以判断,但点P满足的等量关系易于建立,则可以先表示出点P所满足的几何上的等量关系,再用点P的坐标(x,y)表示该等量关系式,即可得到轨迹方程。
3. 参数法:如果采用直译法求轨迹方程难以奏效,则可寻求引发动点P运动的某个几何量t,以此量作为参变数,分别建立P点坐标x,y与该参数t的函数关系x=f(t),y=g(t),进而通过消参化为轨迹的普通方程F(x,y)=0。
4. 代入法(相关点法):如果动点P的运动是由另外某一点P'的运动引发的,而该点的运动规律已知,(该点坐标满足某已知曲线方程),则可以设出P(x,y),用(x,y)表示出相关点P'的坐标,然后把P'的坐标代入已知曲线方程,即可得到动点P的轨迹方程。
5.几何法:若所求的轨迹满足某些几何性质(如线段的垂直平分线,角平分线的性质等),可以用几何法,列出几何式,再代入点的坐标较简单。
6:交轨法:在求动点轨迹时,有时会出现要求两动曲线交点的轨迹问题,这灯问题通常通过解方程组得出交点(含参数)的坐标,再消去参数求得所求的轨迹方程(若能直接消去两方程的参数,也可直接消去参数得到轨迹方程),该法经常与参数法并用。
(二)求轨迹方程的注意事项:
1. 求轨迹方程的关键是在纷繁复杂的运动变化中,发现动点P的运动规律,即P点满足的等量关系,因此要学会动中求静,变中求不变。
来表示,若要判断轨迹方程表示何种曲线,则往往需将参数方程化为普通方程。
3. 求出轨迹方程后,应注意检验其是否符合题意,既要检验是否增解,(即以该方程的某些解为坐标的点不在轨迹上),又要检验是否丢解。(即轨迹上的某些点未能用所求的方程表示),出现增解则要舍去,出现丢解,则需补充。检验方法:研究运动中的特殊情形或极端情形。
4.求轨迹方程还有整体法等其他方法。在此不一一缀述。
课前热身:
1. P是椭圆=1上的动点,过P作椭圆长轴的垂线,垂足为M,则PM中点的轨迹中点的轨迹方程为: ( )
A、 B、 C、 D、=1
【答案】:B
【解答】:令中点坐标为,则点P 的坐标为(代入椭圆方程得,选B
2. 圆心在抛物线上,并且与抛物线的准线及轴都相切的圆的方程是( )
A B
C D
【答案】:D
【解答】:令圆心坐标为(,则由题意可得,解得,则圆的方程为,选D
3: 一动圆与圆O:外切,而与圆C:内切,那么动圆的圆心M的轨迹是:
A:抛物线B:圆 C:椭圆 D:双曲线一支
【答案】:D
【解答】令动圆半径为R,则有,则|MO|-|MC|=2,满足双曲线定义。故选D。
4: 点P(x0,y0)在圆x2+y2=1上运动,则点M(2x0,y0)的轨迹是 ( )
A.焦点在x轴上的椭圆 B. 焦点在y轴上的椭圆
C. 焦点在y轴上的双曲线 D. 焦点在X轴上的双曲线
【答案】:A
【解答】:令M的坐标为则代入圆的方程中得,选A
【互动平台】
一:用定义法求曲线轨迹
求曲线轨迹方程是解析几何的两个基本问题之一,求符合某种条件的动点轨迹方程,其实质就是利用题设中的几何条件,通过坐标互化将其转化为寻求变量之间的关系,在求与圆锥曲线有关的轨迹问题时,要特别注意圆锥曲线的定义在求轨迹中的作用,只要动点满足已知曲线定义时,通过待定系数法就可以直接得出方程。
例1:已知的顶点A,B的坐标分别为(-4,0),(4,0),C 为动点,且满足求点C的轨迹。
【解析】由可知,即,满足椭圆的定义。令椭圆方程为,则,则轨迹方程为(,图形为椭圆(不含左,右顶点)。
【点评】熟悉一些基本曲线的定义是用定义法求曲线方程的关键。
(1) 圆:到定点的距离等于定长
(2) 椭圆:到两定点的距离之和为常数(大于两定点的距离)
(3) 双曲线:到两定点距离之差的绝对值为常数(小于两定点的距离)
(4) 到定点与定直线距离相等。
【变式1】: 1:已知圆的圆心为M1,圆的圆心为M2,一动圆与这两个圆外切,求动圆圆心P的轨迹方程。
解:设动圆的半径为R,由两圆外切的条件可得:,。
。
∴动圆圆心P的轨迹是以M1、M2为焦点的双曲线的右支,c=4,a=2,b2=12。
故所求轨迹方程为
2:一动圆与圆O:外切,而与圆C:内切,那么动圆的圆心M的轨迹是:
A:抛物线B:圆 C:椭圆 D:双曲线一支
【解答】令动圆半径为R,则有,则|MO|-|MC|=2,满足双曲线定义。故选D。
二:用直译法求曲线轨迹方程
此类问题重在寻找数量关系。
例2: 一条线段AB的长等于2a,两个端点A和B分别在x轴和y轴上滑动,求AB中点P的轨迹方程?
解 设M点的坐标为 由平几的中线定理:在直角三角形AOB中,OM=
M点的轨迹是以O为圆心,a为半径的圆周.
【点评】此题中找到了OM=这一等量关系是此题成功的关键所在。一般直译法有下列几种情况:
1)代入题设中的已知等量关系:若动点的规律由题设中的已知等量关系明显给出,则采用直接将数量关系代数化的方法求其轨迹。
2)列出符合题设条件的等式:有时题中无坐标系,需选定适当位置的坐标系,再根据题设条件列出等式,得出其轨迹方程。
3)运用有关公式:有时要运用符合题设的有关公式,使其公式中含有动点坐标,并作相应的恒等变换即得其轨迹方程。
4)借助平几中的有关定理和性质:有时动点规律的数量关系不明显,这时可借助平面几何中的有关定理、性质、勾股定理、垂径定理、中线定理、连心线的性质等等,从而分析出其数量的关系,这种借助几何定理的方法是求动点轨迹的重要方法.
【变式2】: 动点P(x,y)到两定点A(-3,0)和B(3,0)的距离的比等于2(即),求动点P的轨迹方程?
【解答】∵|PA|=
代入得
化简得(x-5)2+y2=16,轨迹是以(5,0)为圆心,4为半径的圆.
三:用参数法求曲线轨迹方程
此类方法主要在于设置合适的参数,求出参数方程,最后消参,化为普通方程。注意参数的取值范围。
例3.过点P(2,4)作两条互相垂直的直线l1,l2,若l1交x轴于A点,l2交y轴于B点,求线段AB的中点M的轨迹方程。
【解析】
分析1:从运动的角度观察发现,点M的运动是由直线l1引发的,可设出l1的斜率k作为参数,建立动点M坐标(x,y)满足的参数方程。
解法1:设M(x,y),设直线l1的方程为y-4=k(x-2),(k≠0)
∵M为AB的中点,
消去k,得x+2y-5=0。
另外,当k=0时,AB中点为M(1,2),满足上述轨迹方程;
当k不存在时,AB中点为M(1,2),也满足上述轨迹方程。
综上所述,M的轨迹方程为x+2y-5=0。
分析2:解法1中在利用k1k2=-1时,需注意k1、k2是否存在,故而分情形讨论,能否避开讨论呢?只需利用△PAB为直角三角形的几何特性:
解法2:设M(x,y),连结MP,则A(2x,0),B(0,2y),
∵l1⊥l2,∴△PAB为直角三角形
化简,得x+2y-5=0,此即M的轨迹方程。
分析3::设M(x,y),由已知l1⊥l2,联想到两直线垂直的充要条件:k1k2=-1,即可列出轨迹方程,关键是如何用M点坐标表示A、B两点坐标。事实上,由M为AB的中点,易找出它们的坐标之间的联系。
解法3:设M(x,y),∵M为AB中点,∴A(2x,0),B(0,2y)。
又l1,l2过点P(2,4),且l1⊥l2 ∴PA⊥PB,从而kPA·kPB=-1,
注意到l1⊥x轴时,l2⊥y轴,此时A(2,0),B(0,4)
中点M(1,2),经检验,它也满足方程x+2y-5=0
综上可知,点M的轨迹方程为x+2y-5=0。
【点评】
1) 解法1用了参数法,消参时应注意取值范围。解法2,3为直译法,运用了kPA·kPB=-1,这些等量关系
用参数法求解时,一般参数可选用具有某种物理或几何意义的量,如时间,速度,距离,角度,有向线段的数量,直线的斜率,点的横,纵坐标等。也可以没有具体的意义,选定参变量还要特别注意它的取值范围对动点坐标取值范围的影响
【变式3】过圆O:x2 +y2= 4 外一点A(4,0),作圆的割线,求割线被圆截得的弦BC的中点M的轨迹
解法一:“几何法” 设点M的坐标为(x,y),因为点M 是弦BC的中点,所以OM⊥BC,
所以|OM | 2+|MA|2 =|OA| 2 , 即(x2 +y2)+(x -4)2 +y2 =16
化简得:(x-2)2+ y2 =4................................①
由方程 ① 与方程x2 +y2= 4得两圆的交点的横坐标为1,所以点M的轨迹方程为
(x-2)2+ y2 =4 (0≤x<1)。所以M的轨迹是以(2,0)为圆心,
2为半径的圆在圆O内的部分。
解法二:“参数法”
设点M的坐标为(x,y),B(x1,y1),C(x2,y2)直线AB的方程为y=k(x-4),
由直线与圆的方程得(1+k2)x2 -8k2x +16k2-4=0...........(*),
由点M为BC的中点,所以x=...............(1) , 又OM⊥BC,所以k=.................(2)由方程(1)(2)
消去k得(x-2)2+ y2 =4,又由方程(*)的△≥0得k2 ≤,所以x<1.
所以点M的轨迹方程为(x-2)2+ y2 =4 (0≤x<1)所以M的轨迹是以(2,0)为圆心,
2为半径的圆在圆O内的部分。
四:用代入法等其它方法求轨迹方程
例4.
轨迹方程。
分析:题中涉及了三个点A、B、M,其中A为定点,而B、M为动点,且点B的运动是有规律的,显然M的运动是由B的运动而引发的,可见M、B为相关点,故采用相关点法求动点M的轨迹方程。
【解析】设动点M的坐标为(x,y),而设B点坐标为(x0,y0)
则由M为线段AB中点,可得
即点B坐标可表为(2x-2a,2y)
【点评】代入法的关键在于找到动点和其相关点坐标间的等量关系
【变式4】如图所示,已知P(4,0)是圆x2+y2=36内的一点,A、B是圆上两动点,且满足∠APB=90°,求矩形APBQ的顶点Q的轨迹方程
【解析】: 设AB的中点为R,坐标为(x,y),则在Rt△ABP中,|AR|=|PR| 又因为R是弦AB的中点,依垂径定理 在Rt△OAR中,|AR|2=|AO|2-|OR|2=36-(x2+y2)
又|AR|=|PR|=
所以有(x-4)2+y2=36-(x2+y2),即x2+y2-4x-10=0
因此点R在一个圆上,而当R在此圆上运动时,Q点即在所求的轨迹上运动
设Q(x,y),R(x1,y1),因为R是PQ的中点,所以x1=,
代入方程x2+y2-4x-10=0,得-10=0
整理得 x2+y2=56,这就是所求的轨迹方程
【备选题】
已知双曲线的左、右焦点分别为,,过点的动直线与双曲线相交于两点.
(I)若动点满足(其中为坐标原点),求点的轨迹方程;
(II)在轴上是否存在定点,使·为常数?若存在,求出点的坐标;若不存在,请说明理由.
解:由条件知,,设,.
解法一:(I)设,则则,,
,由得
即
于是的中点坐标为.
当不与轴垂直时,,即.
又因为两点在双曲线上,所以,,两式相减得
,即.
将代入上式,化简得.
当与轴垂直时,,求得,也满足上述方程.
所以点的轨迹方程是.
(II)假设在轴上存在定点,使为常数.
当不与轴垂直时,设直线的方程是.
代入有.
则是上述方程的两个实根,所以,,
于是
.
因为是与无关的常数,所以,即,此时=.
当与轴垂直时,点的坐标可分别设为,,
此时.
故在轴上存在定点,使为常数.
解法二:(I)同解法一的(I)有
当不与轴垂直时,设直线的方程是.
代入有.
则是上述方程的两个实根,所以.
.
由①②③得.…………………………………………………④
.……………………………………………………………………⑤
当时,,由④⑤得,,将其代入⑤有
.整理得.
当时,点的坐标为,满足上述方程.
当与轴垂直时,,求得,也满足上述方程.
故点的轨迹方程是.
(II)假设在轴上存在定点点,使为常数,
当不与轴垂直时,由(I)有,.
以上同解法一的(II).
【误区警示】
1.错误诊断
【例题5】中,B,C 坐标分别为(-3,0),(3,0),且三角形周长为16,求点A的轨迹方程。
【常见错误】由题意可知,|AB|+|AC|=10,满足椭圆的定义。令椭圆方程为,则由定义可知,则,得轨迹方程为
【错因剖析】ABC为三角形,故A,B,C不能三点共线。
【正确解答】ABC为三角形,故A,B,C不能三点共线。轨迹方程里应除去点,即轨迹方程为
2.误区警示
1:在求轨迹方程中易出错的是对轨迹纯粹性及完备性的忽略,因此,在求出曲线方程的方程之后,应仔细检查有无“不法分子”掺杂其中,将其剔除;另一方面,又要注意有无“漏网之鱼”仍逍遥法外,要将其“捉拿归案”。
2:求轨迹时方法选择尤为重要,首先应注意定义法,几何法,直接法等方法的选择。
3:求出轨迹后,一般画出所求轨迹,这样更易于检查是否有不合题意的部分或漏掉的部分。
【课外作业】
【基础训练】
1:已知两点给出下列曲线方程:①;②;③;④,在曲线上存在点P满足的所有曲线方程是( )
A ①③ B ②④ C ①②③ D ②③④
【答案】:D
【解答】: 要使得曲线上存在点P满足,即要使得曲线与MN的中垂线有交点.把直线方程分别与四个曲线方程联立求解,只有①无解,则选D
2.两条直线与的交点的轨迹方程是 .
【解答】:直接消去参数即得(交轨法):
3:已知圆的方程为(x-1)2+y2=1,过原点O作圆的弦0A,则弦的中点M的轨迹方程是 .
【解答】:令M点的坐标为(,则A的坐标为(2,代入圆的方程里面得:
4:当参数m随意变化时,则抛物线的顶点的轨迹方程为___________。
【分析】:把所求轨迹上的动点坐标x,y分别用已有的参数m来表示,然后消去参数m,便可得到动点的轨迹方程。
【解答】:抛物线方程可化为
它的顶点坐标为
消去参数m得:
故所求动点的轨迹方程为。
5:点M到点F(4,0)的距离比它到直线的距离小1,则点M的轨迹方程为____________。
【分析】:点M到点F(4,0)的距离比它到直线的距离小1,意味着点M到点F(4,0)的距离与它到直线的距离相等。由抛物线标准方程可写出点M的轨迹方程。
【解答】:依题意,点M到点F(4,0)的距离与它到直线的距离相等。则点M的轨迹是以F(4,0)为焦点、为准线的抛物线。故所求轨迹方程为。
6:求与两定点距离的比为1:2的点的轨迹方程为_________
【分析】:设动点为P,由题意,则依照点P在运动中所遵循的条件,可列出等量关系式。
【解答】:设是所求轨迹上一点,依题意得由两点间距离公式得:
化简得:
7抛物线的通径(过焦点且垂直于对称轴的弦)与抛物线交于A、B两点,动点C在抛物线上,求△ABC重心P的轨迹方程。
【分析】:抛物线的焦点为。设△ABC重心P的坐标为,点C的坐标为。其中
【解答】:因点是重心,则由分点坐标公式得:
即
由点在抛物线上,得:
将代入并化简,得:(
【能力训练】
8.已知双曲线中心在原点且一个焦点为F(,0),直线y=x-1与其相交于M、N两点,MN中点的横坐标为,求此双曲线方程。
【解答】:设双曲线方程为。将y=x-1代入方程整理得。
由韦达定理得。又有,联立方程组,解得。
∴此双曲线的方程为。
9.已知动点P到定点F(1,0)和直线x=3的距离之和等于4,求点P的轨迹方程。
【解答】:设点P的坐标为(x,y),则由题意可得。
(1)当x≤3时,方程变为,化简得。
(2)当x>3时,方程变为,化简得。
故所求的点P的轨迹方程是或
10.过原点作直线l和抛物线交于A、B两点,求线段AB的中点M的轨迹方程。
【解答】:由题意分析知直线l的斜率一定存在,设直线l的方程y=kx。把它代入抛物线方程,得。因为直线和抛物线相交,所以△>0,解得。
设A(),B(),M(x,y),由韦达定理得。
由消去k得。
又,所以。
∴点M的轨迹方程为。
【创新应用】
11.一个圆形纸片,圆心为O,F为圆内一定点,M是圆周上一动点,把纸片折叠使M与F重合,然后抹平纸片,折痕为CD,设CD与OM交于P,则P的轨迹是( )
A:椭圆 B:双曲线 C:抛物线 D:圆
【答案】:A
【解答】:由对称性可知||PF|=|PM|,则|PF|+|PO|=|PM|+|PO|=R(R为圆的半径),则P的轨迹是椭圆,选A
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