一道2018年江苏省高中数学竞赛初赛试题的推广
2018-10-24喻秋生
2018年全国高中数学联赛江苏省初赛第11题为:[TP喻秋生-1.tif,Y][TS(][JZ]图1题目如图1,在平面直角坐标系xOy中,已知圆O的方程为x2+y2=4,过点P(0,1)的直线l与圆O交于A,B两点,与x轴交于点Q,设QA=λPA,QB=μPB,求证:λ+μ为定值.
此题通过计算得λ+μ=83,因此,λ+μ的值为定值.
1问题的提出
如果将题目中的圆改为其它圆锥曲线,点P为y轴上的任意定点,其它条件不变,λ+μ为值是否为定值?另外,如果点P为x轴上的任意定点,点Q为直线l与y轴的交点,其它条件不变,λ+μ为值是否为定值?
2问题的一般化探究
经过研究,可以得出下列结论:
[TP喻秋生-2.tif,Y][TS(][JZ]图2[TS)]
结论1如图2,已知椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0),点P(0,m)(m≠±b)为定点,直线l过点P与x轴交于点Q,且与椭圆C交于A,B两点,设QA=λPA,QB=μPB,则λ+μ=2b2b2-m2.
证明当直线l的斜率不存在时,点Q为原点,直线l与椭圆C的两交点为A(0,b)、B(0,-b),由QA=λPA,QB=μPB,得λ=bb-m,μ=bb+m,λ+μ=2b2b2-m2.
当直线l的斜率存在时,设直线l的方程为y=kx+m(k≠0),A(x1,y1)、B(x2,y2),则点Q的坐标为(-mk,0),由QA=λPA,QB=μPB,得λ=1+mkx1,μ=1+mkx2,λ+μ=2+m(x1+x2)kx1x2.[JY](*)
由y=kx+m,x2a2+y2b2=1,得(b2+a2k2)x2+2kma2x+a2m2-a2b2=0,
将x1+x2=-2kma2b2+a2k2,x1x2=a2m2-a2b2b2+a2k2代入(*)并化简,得λ+μ=2b2b2-m2.
综合可得结论1成立.
结论2如图3,已知双曲线C:x2a2-y2b2=1(a>0,b>0),点P(0,m)为定点,直线l过点P与x轴交于点Q,且与双曲线C交于A,B两点,设QA=λPA,QB=μPB,则λ+μ=2b2b2+m2.
结论2的证明与结论1类似.在结论1、结论2中,点P为y轴上的定点,点Q是l与x轴的交点,如果点P是x轴上的定点,点Q是l与y轴的交点时,也有类似的结论:
[TP喻秋生-34.tif,BP][TS(][JZ]图3图4[TS)]
结论3如图4,已知椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0),点P(m,0)(m≠±a)为定点,直线l过点P与y轴交于点Q,且与椭圆C交于A,B两点,设QA=λPA,QB=μPB,则λ+μ=2a2a2-m2.
结论4如图5,已知双曲线C:x2a2-y2b2=1(a>0,b>0),点P(m,0)为定点,直线l过点P与y轴交于点Q,且与双曲线C交于A,B两点,设QA=λPA,QB=μPB,则λ+μ=2a2a2-m2.
如果曲线为抛物线,则当且仅当点P在抛物线的对称轴上时,λ+μ的值恒为常数.
[TP喻秋生-56.tif,BP][TS(][JZ]图5图6[TS)]
结论5如图6,已知抛物线C:y2=2px,点P(m,0)为定点,直线l过点P与y轴交于点Q,且与抛物线C交于A,B两……
