Conic Section · 硬算题解
一张手写照片,硬算出一条双曲线
原图里是两行带参数 r 的距离式。不用猜、不用凑——两次平方,把 r 彻底消掉,得到标准方程,再判断是哪一支。
双曲线定义参数消元两次平方
增根与分支高一 · 圆锥曲线
0题目还原把照片翻译成数学语言
{
√(x² + y²) = r + 1 …①
√((x − 4)² + y²) = r + 2 …②
(r 为参数,求点 P(x, y) 的轨迹方程)
↑ 就是这张照片(第 6 张上传)
关键:①左边是点 P 到 F₁(0, 0) 的距离;②左边是点 P 到 F₂(4, 0) 的距离。右边的 r 是同一个参数——这就是命门。
1消参:两式相减一步看出它是双曲线
② − ①(两个式子右边的 r 一模一样,相减直接消掉):
√((x − 4)² + y²) − √(x² + y²) = (r + 2) − (r + 1) = 1
也就是:|PF₂| − |PF₁| = 1(常数)
定义法(一眼法):平面内到两个定点 F₁、F₂ 的距离之差等于常数(且小于 |F₁F₂|)的点的轨迹,是双曲线靠近 F₁ 的那一支。
这里 2c = |F₁F₂| = 4,2a = 1,显然 1 < 4,所以轨迹存在。
不过题目要"硬算方程",下面老老实实把根号消掉。
2硬算:两次平方作差逐步,每行都有理由
第 1 步:把根号挪到一起。
√((x − 4)² + y²) = √(x² + y²) + 1 …③
第 2 步:两边平方(第一次)。左边直接展开,右边用 (a+b)²:
(x − 4)² + y² = (x² + y²) + 2√(x² + y²) + 1
x² − 8x + 16 + y² = x² + y² + 2√(x² + y²) + 1
第 3 步:两边消去 x²、y²,整理出根号。
−8x + 16 = 2√(x² + y²) + 1
2√(x² + y²) = 15 − 8x
√(x² + y²) = (15 − 8x) / 2 …④
第 4 步:两边再平方(第二次),根号彻底消失。
x² + y² = (15 − 8x)² / 4
4x² + 4y² = 225 − 240x + 64x²
4y² = 60x² − 240x + 225
第 5 步:配方,凑成标准形式。
4y² = 60(x² − 4x) + 225 = 60(x − 2)² − 240 + 225
4y² = 60(x − 2)² − 15
60(x − 2)² − 4y² = 15 …⑤
⑤ 两边同除 15,就得到标准方程。
3写成标准方程认出 a、b、c
4(x − 2)² − (4/15)y² = 1
(x − 2)² / (1/4) − y² / (15/4) = 1
这是中心在 (2, 0)、焦点在 x 轴上的双曲线,其中
a = 1/2,a² = 1/4; c = |F₁F₂|/2 = 2; b² = c² − a² = 4 − 1/4 = 15/4,b = √15 / 2
4判断分支:到底要哪一支?最容易丢分的一步
平方会产生"增根",所以要回到原式核对符号。由 ④ 式:
√(x² + y²) = (15 − 8x) / 2 ≥ 0 ⇒ 15 − 8x ≥ 0 ⇒ x ≤ 15/8 (= 1.875)
而双曲线两支的范围是:左支 x ≤ 3/2,右支 x ≥ 5/2。条件 x ≤ 15/8 把右支整个排除掉了。
更直观的判断:③ 式说明 |PF₂| = |PF₁| + 1,即点离 F₁ 更近 → 只能在左支(靠近 F₁(0,0) 的那一支)。
所以轨迹是:双曲线的左支,即 (x − 2)²/(1/4) − y²/(15/4) = 1,且 x ≤ 3/2
5参数 r 到底能取多少?
由 ① 式 r = |PF₁| − 1。在左支上 |PF₁| 的最小值在顶点 V(3/2, 0) 处取得:
|PF₁| ≥ |F₁V| = 3/2 ⇒ r ≥ 3/2 − 1 = 1/2
(若题目要求 r > 0,则 r ≥ 1/2 自动满足,不需要再额外限制。)
6图形与几何性质
红色实线 = 轨迹(左支);灰色虚线 = 不是轨迹的右支;浅棕虚线 = 两条渐近线
| 量 | 值 | 怎么来的 |
| 中心 | (2, 0) | F₁(0,0)、F₂(4,0) 的中点 |
| a(实半轴) | 1/2 | 2a = 距离差 = 1 |
| c(半焦距) | 2 | 2c = |F₁F₂| = 4 |
| b(虚半轴) | √15 / 2 | b² = c² − a² = 15/4 |
| 离心率 e | 4 | e = c/a = 2 ÷ (1/2) |
| 渐近线 | y = ±√15 (x − 2) | y = ±(b/a)(x − 2),b/a = √15 |
| 顶点 | (3/2, 0) | 中心沿 x 轴左移 a |
7代点验算三个点全过,才算真算对
| 取点 P | |PF₁| = r+1 | |PF₂| = r+2 | 差 |PF₂|−|PF₁| |
| (3/2, 0) 顶点 | 3/2 | 5/2 | 1 ✓ |
| (1, 3√5/2) ≈ (1, 3.354) | 3.5 | 4.5 | 1 ✓ |
| (−2, 3√105/2) ≈ (−2, 15.37) | 15.5 | 16.5 | 1 ✓ |
第二个点:|PF₁| = √(1 + 45/4) = √(49/4) = 7/2;|PF₂| = √(9 + 45/4) = √(81/4) = 9/2。第三个点同理。
8易错点小结
- 不判断分支:只写下标准方程就交,会丢"≤ 3/2"这个条件,也把右支错误地算进轨迹。
- 第一次平方后忘记把 2√(x²+y²) 单独整理:要先把根号凑到一边,再平方,否则越算越乱。
- 混淆 a、b、c:本题 2a 是"距离差",2c 是"两焦点距离"。别把 4 直接当 a。
- 忽略 r 的范围:r 不是任意实数,它由轨迹点决定,最小 1/2。
- 定义要求 2a < 2c:这里 1 < 4,所以真的是双曲线(若等于就是一条射线,大于则无轨迹)。
9一句话总结
最终答案
4(x − 2)² − (4/15)y² = 1,且 x ≤ 3/2
(双曲线左支;a = 1/2,b = √15/2,c = 2,e = 4,渐近线 y = ±√15(x − 2),参数 r ≥ 1/2)