圆锥曲线的中点弦公式.doc

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1、圆锥曲线中点弦公式抛物线中点弦公式　　抛物线C：x^2=2py上，过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为：py-αx=pβ-α^2。　　中点弦存在的条件：2pβ＞α^2（点P在抛物线开口内）。椭圆中点弦公式　　椭圆C：x^2/a^2+y^2/b^2=1上，过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为：　　αx/a^2+βy/b^2=α^2/a^2+β^2/b^2。　　中点弦存在的条件：α^2/a^2+β^2/b^2<1（点P在椭圆内）。双曲线中点弦公式　　双曲线C：x^2/a^2-y^2/b^2=1上，过给定点P=(α,β)的中点弦所在直线方程为：　　αx/a^2-βy/b^2=α^2/

2、a^2-β^2/b^2。　　中点弦存在的条件：(α^2/a^2-β^2/b^2)(α^2/a^2-β^2/b^2-1)>0（点P不在双曲线、渐近线上以及它们所围成的区域内）。二次曲线中点弦性质与蝴蝶定理　　蝴蝶定理是二次曲线一个著名定理，它充分体现了蝴蝶生态美与“数学美”的一致性．不少中数专著或杂志至今还频繁讨论．本文揭示了它与中点弦性质的紧密联系，并给出统一而简明的证明，指出了一种有用的特殊情形和一种推广形式．　　引理：设两条不同的二次曲线　　S：F(x，y)=a11x2＋2a12xy＋a22y2＋2a13x＋2a23y＋a33=0　　有A、B、C、D四个公共点，其中无三点共线，则过A、B、

3、C、D四点的任意一条二次曲线S2必可唯一地表示成：　　(证明略)　　定理1设三条不同的二次曲线(S、S1、S2)有A、B、C、D四个公共点，其中无三点共线；又直线L0被S、S1、S2各截得一弦．若其中两弦中点重合，则第三弦中点亦重合．　　证设S、S1的方程为(1)、(2)，则S2方程可表为(3)．因直线L0(设斜率为k)关于二次曲线S、S1、S2的共轭直径分别为：　　L：(a11x＋a12y＋a13)＋k(a12x＋a22y＋a23)=f(x，y)=0　　因L、L1都通过L0被S与S1所截得的弦PQ与EF的共同中点O，显然L2也必通过点O，故O也是L0被S2所截得的弦GH的中点．　　注两直线A

4、B和CD或AD和CB或AC和BD都可看做二次曲线S1的特殊情形，甚至E和F重合于O．故本定理包括了蝴蝶定理众多情形．　　定理2设AB∥CD，S和S1是过A、B、C、D四点的任意两条二次曲线．若平行于AB的任意直线与S、S1各有两个交点，则夹在两曲线之间的两线段相等．　　证设AB、CD的中点分别为M、N，又AB∥CD，故直线MN就是AB关于S和S1的共轭直径，故若平行于AB的任意直线被S、S1所截的弦PQ、EF有共同中点O，故有PE=QF，命题得证．　　注由于PQ可为AB与CD之间任意平行弦，皆有PE=QF，故夹在S和S1之间的两曲边区域△1和△2面积相等．[1]它酷似蝴蝶两翼，不过并非轴对称，

5、而是沿AB方向共轭．如果世上真有这样的蝴蝶，飞行亦能平衡自如．　　定理1还可推广得到更一般的结论．　　定理3若三条不同的二次曲线S、S1、S2有无三点共线的四个公共点，沿某一确定方向的任意直线L0被S、S1、S2各截得一弦PQ、EF、GH，则三弦中点O、O1、O2之间有向线段之比为常数．　　证不妨取坐标系使确定方向为x轴．于是该方向(k=0)关于S、S1、S2的共轭直径分别为(参见定理1)：　　L：a11x＋a12y＋a13=0　　L1：b11x＋b12y＋b13=0　　L2：(a11x＋a12y＋a13)＋λ(b11x＋b12y＋b13)=0　　设直线L0方程为y=y0，PQ、EF、GH的中

6、点为O(x0，y0)，O1(x1，y0)，O2(x2，y0)，于是由直径方程知：　　a11x0＋a12y0＋a13=0，b11x1＋b12y0＋b13=0　　(a11x2＋a12y0＋a13)＋λ(b11x2＋b12y0＋b13)=0　　故a11(x2－x0)=λb11(x2－x1)(4)　　即OO2/O2O1=α(a11≠0时)(5)　　其中α=－λb11/a11是与y0无关的常数(由S、S1、S2三曲线确定．当a11=0时，L∥L0可知L0与S无两个交点，故不在本命题讨论之列)．　　(5)式意即：在指定顺序O、O2、O1之下，两有向线段之比不因L0平行移动而变化．　　推论在定理3条件下，对

7、任意直线L0所截的三弦中点中，任意两点总在第三点同侧或异侧．当O、O1、O2中有两点重合时，第三点也重合．“蝴蝶定理”虽然如自然界的蝴蝶种类一样千变万化，然而万变不离其宗，核心在于中点弦性质．