高考第一轮复习数学：8.5轨迹问题.doc

8.5 轨迹问题

●知识梳理
本节主要内容是轨迹的概念及轨迹方程的求法.求轨迹方程常用的方法：（1）结合解析几何中某种曲线的定义，从定义出发寻找解决问题的方法；（2）利用几何性质，若所求的轨迹与图形的性质相关，往往利用三角形或圆的性质来解问题；（3）如果点P的运动轨迹或所在曲线已知，又点Q与点P之间的坐标可以建立某种关系，则借助点P的轨迹可以得到点Q的轨迹；（4）参数法.
●点击双基
1.动点P到直线x=1的距离与它到点A（4，0）的距离之比为2，则P点的轨迹是
A.中心在原点的椭圆
B.中心在（5，0）的椭圆
C.中心在原点的双曲线
D.中心在（5，0）的双曲线
解析：直接法.
答案：B
2.（2005年春季北京，6）已知双曲线的两个焦点为F1（－，0）、F2（，0），P是此双曲线上的一点，且PF1⊥PF2，|PF1|·|PF2|=2，则该双曲线的方程是
A.－=1 B.－=1
C.－y2=1 D.x2－=1
解析：设双曲线的方程为－=1.
由题意||PF1|－|PF2||=2a，|PF1|2+|PF2|2=（2）2.
又∵|PF1|·|PF2|=2，∴a=2，b=1.
故双曲线方程为－y2=1.
答案：C
3.已知A（0，7）、B（0，－7）、C（12，2），以C为一个焦点作过A、B的椭圆，椭圆的另一个焦点F的轨迹方程是
A.y2－＝1（y≤－1） B.y2－＝1
C.y2－＝－1 D.x2－＝1
解析：由题意｜AC｜＝13，｜BC｜＝15，
｜AB｜＝14，又｜AF｜＋｜AC｜＝｜BF｜＋｜BC｜，
∴｜AF｜－｜BF｜＝｜BC｜－｜AC｜＝2.
故F点的轨迹是以A、B为焦点，实轴长为2的双曲线下支.又c=7，a=1，b2＝48，
所以轨迹方程为y2－＝1（y≤－1）.
答案：A
4.F1、F2为椭圆+=1的左、右焦点，A为椭圆上任一点，过焦点F1向∠F1AF2的外角平分线作垂线，垂足为D，则点D的轨迹方程是________________.
解析：延长F1D与F2A交于B，连结DO，可知DO=F2B=2，∴动点D的轨迹方程为x2+y2=4.
答案：x2+y2=4
5.已知△ABC中，B（1，0）、C（5，0），点A在x轴上方移动，且tanB+tanC=3，则 △ABC的重心G的轨迹方程为________________.
解析：设A（x0，y0），
∵tanB+tanC=3，
∴－=3，点A的轨迹方程为y0=－（x02－6x0+5）（x0≠1且x0≠5）.若 G（x，y）为△ABC的重心，则由重心坐标公式：x=，y=，∴x0=3x－6，且y0=3y.代入A点轨迹方程得G的轨迹方程为y－1=－（x－3）2（x≠且x≠）.
答案：y－1=－（x－3）2（x≠且x≠）
●典例剖析
【例1】 在△PMN中，tan∠PMN=，tan∠MNP=－2，且△PMN的面积为1，建立适当的坐标系，求以M、N为焦点，且过点P的椭圆的方程.

剖析：如上图，以直线MN为x轴，线段MN的垂直平分线为y轴，建立平面直角坐标系，则所求椭圆方程为+=1.显然a2、b2是未知数，但a2、b2与已知条件没有直接联系，因此应寻找与已知条件和谐统一的未知元，或改造已知条件.
解法一：如上图，过P作PQ⊥MN，垂足为Q，
令|PQ|=m，于是可得|MQ|=|PQ|cot∠PMQ=2m，|QN|=|PQ|cot∠PNQ=m.
∴|MN|=|MQ|－|NQ|=2m－m=m.
于是S△PMN=|MN|·|PQ|=·m·m=1.
因而m=，|MQ|=2，|NQ|=，|MN|=.
|MP|===，
|NP|===.
以MN的中点为原点，MN所在直线为x轴建立直角坐标系，设椭圆方程为+=1（a＞b＞0）.则2a=|MP|+|NP|=，2c=|MN|=，
故所求椭圆方程为+=1.
解法二：设M（－c，0）、N（c，0），P（x，y），y＞0，
=，
则
=2，
y·c=1，
解之，得x=，y=，c=.
设椭圆方程为b2x2+a2y2=a2b2，则
b2·（）2+a2（）2=a2b2，
a2－b2=， 解之，得a2=，b2=3.
（以下略）
评述：解法一选择了与a较接近的未知元|PM|、|PN|，但需改造已知条件，以便利用正弦定理和面积公式；解法二以条件为主，选择了与条件联系最直接的未知元x、y、c.本题解法较多，但最能体现方程思想方法的、学生易于理解和接受的是这两种解法.
深化拓展
若把△PMN的面积为1改为·=，求椭圆方程.
提示：由tan∠PMN=，tan∠MNP=－2，
易得sin∠MPN=，cos∠MPN=.由·=，得||||=.
易求得|PM|=，|PN|=.进而求得椭圆方程为+=1.
【例2】 （2004年福建，22）如下图，P是抛物线C：y=x2上一点，直线l过点P且与抛物线C交于另一点Q.若直线l与过点P的切线垂直，求线段PQ中点M的轨迹方程.

剖析：欲求PQ中点M的轨迹方程，需知P、Q的坐标.思路一，P、Q是直线l与抛物线C的交点，故需求直线l的方程，再与抛物线C的方程联立，利用韦达定理、中点坐标公式可求得M的轨迹方程；思路二，设出P、Q的坐标，利用P、Q的坐标满足抛物线C的方程，代入抛物线C的方程相减得PQ的斜率，利用PQ的斜率就是l的斜率，可求得M的轨迹方程.
解：设P（x1，y1）、Q（x2，y2）、M（x0，y0），依题意知x1≠0，y1>0，y2>0.
由y=x2， ①
得y′=x.∴过点P的切线的斜率k切=x1，
∴直线l的斜率kl=－=－，
直线l的方程为y－x12=－（x－x1）. ②
方法一：联立①②消去y，得x2+x－x12－2=0.
∵M为PQ的中点，
∴
x0==－，
y0=x12－（x0－x1）.
消去x1，得y0=x02++1（x0≠0），∴PQ中点M的轨迹方程为y=x2++1（x≠0）.
方法二：由y1=x12，y2=x22，x0=，
得y1－y2=x12－x22=（x1+x2）（x1－x2）=x0（x1－x2），则x0==kl=－，
∴x1=－.将上式代入②并整理，得y0=x02++1（x0≠0），
∴PQ中点M的轨迹方程为y=x2++1（x≠0）.
评述：本题主要考查了直线、抛物线的基础知识，以及求轨迹方程的常用方法.本题的关键是利用导数求切线的斜率以及灵活运用数学知识分析问题、解决问题.
深化拓展
当点P在抛物线C上移动时，求点M到x轴的最短距离.
提示：∵x≠0，x2>0，∴y=x2++1≥2+1=+1，当且仅当x2=，x=±时等号成立，即点M到x轴的最短距离为+1.
【例3】 （2000年春季全国）已知抛物线y2＝4px（p＞0），O为顶点，A、B为抛物线上的两动点，且满足OA⊥OB，如果OM⊥AB于M点，求点M的轨迹方程.
剖析：点M是OM与AB的交点，点M随着A、B两点的变化而变化，而A、B为抛物线上的动点，点M与A、B的直接关系不明显，因此需引入参数.
解法一：设M（x0，y0），则kOM=，kAB=－，
直线AB方程是y=－（x－x0）+y0.
由y2=4px可得x=，将其代入上式，整理，得x0y2－（4py0）y－4py02－4px02=0. ①
此方程的两根y1、y2分别是A、B两点的纵坐标，
∴A（，y1）、B（，y2）.
∵OA⊥OB，∴kOA·kOB=－1.∴·=－1.∴y1y2=－16p2.
根据根与系数的关系，由①可得y1·y2=，
∴=16p2.化简，得x02+y02－4px0=0，
即x2+y2－4px=0（除去原点）为所求.
∴点M的轨迹是以（2p，0）为圆心，以2p为半径的圆，去掉坐标原点.
解法二：设A、B两点坐标为A（pt12，2pt1）、B（pt22，2pt2）.
∴kOA=，kOB=，kAB=.
∵OA⊥OB，∴t1·t2=－4.
∴AB方程是y－2pt1=（x－pt12）， ①
直线OM的方程是y=－x. ②
①×②，得（px）t12+2pyt1－（x2+y2）=0. ③
∴直线AB的方程还可写为y－2pt2=（x－pt22）. ④
由②×④，得（px）t22+（2py）t2－（x2+y2）=0. ⑤
由③⑤可知t1、t2是方程（px）t2+（2py）t2－（x2+y2）=0的两根.
由根与系数的关系可得t1t2=.又t1·t2=－4，
∴x2+y2－4px=0（原点除外）为所求点M的轨迹方程.
故M的轨迹是以（2p，0）为圆心，以2p为半径的圆，去掉坐标原点.
解法三：设M（x，y），直线AB方程为y=kx+b，
由OM⊥AB得k=－.
由y2=4px及y=kx+b消去y，得k2x2+x（2kb－4p）+b2=0.
所以x1x2=.消去x，得ky2－4py+4pb=0.
所以y1y2=.由OA⊥OB，得y1y2=－x1x2，所以=－，b=－4kp.
故y=kx+b=k（x－4p）.用k=－代入，得x2+y2－4px=0（x≠0）.
解法四：设点M的坐标为（x，y），直线OA的方程为y=kx，
解得A点的坐标为（，），
显然k≠0，则直线OB的方程为y=－x.
由
y=kx，
y2=4px，
类似地可得B点的坐标为（4pk2，－4pk），从而知当k≠±1时，

kAB==.
故得直线AB的方程为y+4pk=（x－4pk2），即（－k）y+4p=x， ①
直线OM的方程为y=－（－k）x. ②
可知M点的坐标同时满足①②，由①及②消去k便得4px=x2+y2，
即（x－2p）2+y2=4p2，但x≠0，
当k=±1时，容易验证M点的坐标仍适合上述方程.
故点M的轨迹方程为（x－2p）2+y2=4p2（x≠0），
它表示以点（2p，0）为圆心，以2p为半径的圆.
评述：本题考查了交轨法、参数法求轨迹方程，涉及了类比、分类讨论等数学方法，消参时又用到了整体思想法，对含字母的式子的运算能力有较高的要求，同时还需要注意轨迹的“完备性和纯粹性”.此题是综合考查学生能力的一道好题.
深化拓展
本题中直线AB恒过定点（4p，0），读者不妨探究一番.
●闯关训练
夯实基础
1.已知M（－2，0）、N（2，0），｜PM｜－｜PN｜＝4，则动点P的轨迹是
A.双曲线 B.双曲线左边一支
C.一条射线 D.双曲线右边一支
解析：利用几何性质.
答案：C
2.（2003年河南）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－，则此双曲线的方程是
A.－=1 B.－=1
C.－=1 D.－=1
解析：设双曲线方程为－=1.
将y=x－1代入－=1，整理得（b2－a2）x2+2a2x－a2－a2b2=0.
由韦达定理得x1+x2=，==－.
由c2=a2+b2求得a2=2，b2=5.
答案：D
3.曲线x2＋4y2＝4关于点M（3，5）对称的曲线方程为____________.
解析：代入法（或相关点法）.
答案：（x－6）2+4（y－10）2=4
4.与圆x2+y2－4x=0外切，且与y轴相切的动圆圆心的轨迹方程是____________.
解析：若动圆在y轴右侧，则动圆圆心到定点（2，0）与到定直线x=－2的距离相等，其轨迹是抛物线；若动圆在y轴左侧，则动圆圆心轨迹是x负半轴.
答案：y2=8x（x>0）或y=0（x<0）
5.自抛物线y2＝2x上任意一点P向其准线l引垂线，垂足为Q，连结顶点O与P的直线和连结焦点F与Q的直线交于R点，求R点的轨迹方程.
解：设P（x1，y1）、R（x，y），则Q（－，y1）、F（，0），
∴OP的方程为y=x， ①
FQ的方程为y=－y1（x－）. ②
由①②得x1＝，y1＝，代入y2＝2x，可得y2＝－2x2+x.
6.求经过定点A（1，2），以x轴为准线，离心率为的椭圆下方的顶点的轨迹方程.
解：设椭圆下方的焦点F（x0，y0），由定义=，
∴|AF|=1，即点F的轨迹方程为（x0－1）2+（y0－2）2=1.
又设椭圆下方顶点为P（x，y），则x0=x，y0=y，
∴点P的轨迹方程是（x－1）2+（y－2）2=1.
培养能力
7.AB是圆O的直径，且｜AB｜＝2a，M为圆上一动点，作MN⊥AB，垂足为N，在OM上取点P，使｜OP｜＝｜MN｜，求点P的轨迹.
解：以圆心O为原点，AB所在直线为x轴建立直角坐标系（如下图），则⊙O的方程为x2＋y2＝a2，设点P坐标为（x，y），并设圆与y轴交于C、D两点，作PQ⊥AB于Q，则有＝.

∵｜OP｜＝｜MN｜，∴｜OP｜2＝｜OM｜·｜PQ｜.
∴x2+y2＝a｜y｜，即 x2＋（y±）2＝（）2.
轨迹是分别以CO、OD为直径的两个圆.
8.过抛物线y2=4x的焦点的直线l与抛物线交于A、B两点，O为坐标原点.求△AOB的重心G的轨迹C的方程.
解：抛物线的焦点坐标为（1，0），当直线l不垂直于x轴时，设方程为y=k（x－1），代入y2=4x，得k2x2－x（2k2+4）+k2=0.
设l方程与抛物线相交于两点，∴k≠0.设点A、B的坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2），
根据韦达定理，有x1+x2=，
从而y1+y2=k（x1+x2－2）=.
设△AOB的重心为G（x，y），
消去k，得x=+（y）2，
则
x==+，
y==，
∴y2=x－.当l垂直于x轴时，A、B的坐标分别为（1，2）和（1，－2），△AOB的重心G（，0），也适合y2=x－，
因此所求轨迹C的方程为y2=x－.
探究创新
9.（2004年春季安徽）已知k＞0，直线l1：y=kx，l2：y=－kx.
（1）证明：到l1、l2的距离的平方和为定值a（a＞0）的点的轨迹是圆或椭圆；
（2）求到l1、l2的距离之和为定值c（c＞0）的点的轨迹.
（1）证明：设点P（x，y）为动点，则
+=a，整理得+=1.
因此，当k=1时，动点的轨迹为圆；
当k≠1时，动点的轨迹为椭圆.
（2）解：设点P（x，y）为动点，则
|y－kx|+|y+kx|=c.
当y≥k|x|时，y－kx+y+kx=c，即y=c；
当y≤－k|x|时，kx－y－y－kx=c，即y=－c；
当－k|x|＜y＜k|x|，x＞0时，kx－y+y+kx=c，即x=c；
当－k|x|＜y＜k|x|，x＜0时，y－kx－y－kx=c，即x=－c.
综上，动点的轨迹为矩形.
●思悟小结
1.求轨迹方程的一般步骤是：建系、设点、列式、代入、化简、检验.检验就是要检验点的轨迹的纯粹性和完备性.
2.如果题目中的条件有明显的等量关系，或者可以利用平面几何知识推出等量关系，求方程时可用直接法.
3.如果能够确定动点的轨迹满足某种已知曲线的定义，则可用曲线定义写出方程，这种方法称为定义法.
4.如果轨迹动点P（x，y）依赖于另一动点Q（a，b），而Q（a，b）又在某已知曲线上，则可先列出关于x、y、a、b的方程组，利用x、y表示出a、b，把a、b代入已知曲线方程便得动点P的轨迹方程.此法称为代入法.
5.如果轨迹动点P（x，y）的坐标之间的关系不易找到，也没有相关点可用时，可先考虑将x、y用一个或几个参数来表示，消去参数得轨迹方程，此法称为参数法.参数法中常选变角、变斜率等为参数.
6.注意参数的取值范围对方程的影响.
●教师下载中心
教学点睛
1.已知曲线求方程或已知方程画曲线是解析几何中的两个基本问题.如何探求动点的轨迹方程呢？①从定义出发，还本索源.在探求动点的轨迹方程时，如能结合解析几何中某种曲线的定义，也就能寻找到解决问题的钥匙；②利用平面几何的性质.动点的轨迹与图形的性质相关，若某些轨迹与直线或圆有关，则可以利用三角形或圆的性质来帮助分析；③伴随曲线的思想和方法.如果点P的运动轨迹或所在的曲线已知，又点P与点Q的坐标之间可以建立起某种关系，则借助于点P的运动轨迹，我们便可以得到点Q的运动轨迹，这便是伴随曲线的思想方法.
2.在探求轨迹的过程中，需要注意的是轨迹的“完备性”和“纯粹性”，也就是说既不能多，也不能少，因此，在求得轨迹方程之后，要深入地再思考一下：①是否还遗漏了一些点？是否还有另一个满足条件的轨迹方程存在？②在所求得的轨迹方程中，x、y的取值范围是否有什么限制?
拓展题例
【例1】 是否存在同时满足下列条件的抛物线？若存在，求出它的方程；若不存在，请说明理由．
（1）准线是y轴；
（2）顶点在x轴上；
（3）点A（3，0）到此抛物线上动点P的距离最小值是2.
解：假设存在这样的抛物线，顶点为（a，0），则方程为y2＝4a（x－a）（a≠0），
设P（x0，y0），则y02＝4a（x0－a），
｜AP｜2＝（x0－3）2＋y02
＝［x0－（3－2a）］2＋12a－8a2，
令f（a）＝｜AP｜2，
①当a＞0时，有x0≥a，
当3－2a≥a即a∈（0，1］时，｜AP｜2＝f（3－2a），∴a＝1或a＝；
抛物线方程为y2＝4（x－1）或y2＝2（x－）.
当3－2a＜a即a＞1时，｜AP｜2＝f（a）.
∴a＝5或a＝1（舍），抛物线方程为y2＝20（x－5）.
②当a＜0时，显然与已知矛盾，
∴所求抛物线方程为y2＝4（x－1）或y2＝2（x－）或y2＝20（x－5）．
【例2】 （2003年太原市模拟题）已知椭圆的焦点为F1（－1，0）、F2（1，0），直线x=4是它的一条准线.
（1）求椭圆的方程；
（2）设A1、A2分别是椭圆的左顶点和右顶点，P是椭圆上满足|PA1|－|PA2|=2的一点，求tan∠A1PA2的值；
（3）若过点（1，0）的直线与以原点为顶点、A2为焦点的抛物线相交于点M、N，求MN中点Q的轨迹方程.
解：（1）设椭圆方程为+=1（a＞b＞0）.
由题设有
c=1，
=4，
∴b2=3.
解得
c=1，
a=2，
所求椭圆方程为+=1.
（2）由题设知，点P在以A1、A2为焦点，实轴长为2的双曲线的右支上.
由（1）知A1（－2，0），A2（2，0），
设双曲线方程为－=1（m＞0，n＞0）.
则
解得
2m=2， m=1，
m2+n2=4， n=.
∴双曲线方程为x2－=1.由
+=1，
x2－=1，
解得P点的坐标为（，）或（，－）.当P点坐标为（，）时，tan∠A1PA2==－4.
同理当P点坐标为（，－）时，tan∠A1PA2=－4.故tan∠A1PA2=－4.
（3）由题设知，抛物线方程为y2=8x.
设M（x1，y1）、N（x2，y2），MN的中点Q（x，y），
当x1≠x2时，有
y12=8x1， ①
y22=8x2， ②
x=， ③
y=， ④
=. ⑤
①－②，得（y1+y2）=8，
将④⑤代入上式，有·2y=8，即y2=4（x－1）（x≠1）.
当x1=x2时，MN的中点为（1，0），仍满足上式.
故所求点Q的轨迹方程为y2=4（x－1）.