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就现行高中数学教材椭圆的标准方程的推导,本文介绍了四种推导方法.并对它们的优缺点进行了简单的点评.
已知平面上一动点P(x,y)到两定点F1(-c,0)、F2(c,0)的距离之和为
2a(a>c>0)
,求此动点的轨迹方程.
解法1:由方程
(x+c)2+y2+
(x-c)2+y2=2a.
经过了“两次平方”.并令b2=a2-c2推导出
x2a2
+y2b2=1
为椭圆标准方程,虽然这种方法的思路非常自然、直观,但是由于其间要经过两次两边平方的处理,运算量相对较大,而且繁杂的运算掩盖了问题的实质,使推导不容易全面把握.
解法2:由已知不等式
(x+c)2+y2
+
(x-c)2+y2=2a①
及恒等式
-=4cx
②
②÷①得
(x+c)2+y2
-(x-c)2+y2
=2cxa
③
①+③得2(x+c)2+y2
=2a+2cxa,
即(x+c)2+y2
=a+cxa,
④
将④两边平方,得
(x+c)2+y2=a2+2cx+c2x2a2
整理得:(a2-c2)x2+a2y2=a2(a2-c2) 令b2=a2-c2.
得x2a2+y2b2=1为椭圆的标准方程.
解法3:由①知
(x+c)2+y2,a,
(x-c)2-y2
构成等差数列,
设此等差数列的公式为d,则
(x+c)2+y2=a-d,⑤
(x-c)2+y2=a+d,⑥
将⑤⑥两式平方后相减,得
-
=(a-d)2-(a+d)2
整理,得
d=-cax.
所以(x+c)2+y2=a+
cxa
即④,以下同方法2.
用以上两种方法同样可以推导出双曲线方程.
图1
解法4:如图1,过P点向x轴作垂线,设垂足为D,并将P到
F1、F2的距离分别设为a+t,a-t.则
|PD|=|y|,|F1D|=|x+c|,|F2D|=|x-c|.
根据勾股定理,有
|PF1|2=|PD|2+|F1D|2,
|PF2|2=|PD|2+|F2D|2,
即(a+t)2=|y|2+
|x+c|2,(a-t)2=|y|2+|x-c|2,
去掉绝对值并展开为:
a2+2at+t2=y2+x2+2cx+c2(1)
a2-2at+t2=y2+x2-2cx+c2(2)
两式相减得到:at=cx,即
t=cax,
,
将此结果代入(1)或(2)并令b2=a2-c2.
再整理即有:
x2a2
+y2b2
=1
这就是椭圆的标准方程
这种方法也可以几乎不加改变地推广到导出双曲线的标准方程上去.
已知平面上一动点P(x,y)到两定点F1(-c,0)、F2(c,0)的距离之和为
2a(a>c>0)
,求此动点的轨迹方程.
解法1:由方程
(x+c)2+y2+
(x-c)2+y2=2a.
经过了“两次平方”.并令b2=a2-c2推导出
x2a2
+y2b2=1
为椭圆标准方程,虽然这种方法的思路非常自然、直观,但是由于其间要经过两次两边平方的处理,运算量相对较大,而且繁杂的运算掩盖了问题的实质,使推导不容易全面把握.
解法2:由已知不等式
(x+c)2+y2
+
(x-c)2+y2=2a①
及恒等式
-=4cx
②
②÷①得
(x+c)2+y2
-(x-c)2+y2
=2cxa
③
①+③得2(x+c)2+y2
=2a+2cxa,
即(x+c)2+y2
=a+cxa,
④
将④两边平方,得
(x+c)2+y2=a2+2cx+c2x2a2
整理得:(a2-c2)x2+a2y2=a2(a2-c2) 令b2=a2-c2.
得x2a2+y2b2=1为椭圆的标准方程.
解法3:由①知
(x+c)2+y2,a,
(x-c)2-y2
构成等差数列,
设此等差数列的公式为d,则
(x+c)2+y2=a-d,⑤
(x-c)2+y2=a+d,⑥
将⑤⑥两式平方后相减,得
-
=(a-d)2-(a+d)2
整理,得
d=-cax.
所以(x+c)2+y2=a+
cxa
即④,以下同方法2.
用以上两种方法同样可以推导出双曲线方程.
图1
解法4:如图1,过P点向x轴作垂线,设垂足为D,并将P到
F1、F2的距离分别设为a+t,a-t.则
|PD|=|y|,|F1D|=|x+c|,|F2D|=|x-c|.
根据勾股定理,有
|PF1|2=|PD|2+|F1D|2,
|PF2|2=|PD|2+|F2D|2,
即(a+t)2=|y|2+
|x+c|2,(a-t)2=|y|2+|x-c|2,
去掉绝对值并展开为:
a2+2at+t2=y2+x2+2cx+c2(1)
a2-2at+t2=y2+x2-2cx+c2(2)
两式相减得到:at=cx,即
t=cax,
,
将此结果代入(1)或(2)并令b2=a2-c2.
再整理即有:
x2a2
+y2b2
=1
这就是椭圆的标准方程
这种方法也可以几乎不加改变地推广到导出双曲线的标准方程上去.