圆锥曲线上四点共圆的充要条件

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20 年第 2   07 期

圆锥 曲线上 四点共圆的充要条件 

2 15 数学思维训练左右脑协调研究中心 陈振宣 03 0  

百年以前, 著名的教材《 坐标几何} o e  ( ny L 著) 中曾提到椭圆上四点共圆的必要条件: 四点  圆  的离心角之和为7 r 的偶数倍. 证明方法十分巧妙,   4 =  ,   但要应用高次方程的韦达定理. 这一条件是否充  必要性: 如果 A,E C、 j、 D四点共圆, } 根据 圆   分, 一直是悬案. 在上世纪八十年代编写 《 数学  幂定理, IA ICI :Q IDI即ItI   有Q I Q = IBI ,  ̄ 2 = = Q 1 题解辞典》 平面解析几何时, 仍未获解决.至上  It . t 4  31

。   。

,  

世纪九十年初编写 《 中学数 学范例 点评》 才  时, 证明了此条件的充分性.20 年湖北高考理工  05 第2 题: 1 “ 设A、B是椭圆3 +Y  上两点,   2=   分线与椭 圆相交于  、D两点.  

‘ 2C S .  O 20+ a  i 20> 0 .b 2 n  s

,  

b CS 2 O 2妒+ a2 i 2 > 0 sn 妒

,  

点NO, 是线段A 3 ) B的中点, 线段A B的垂直平 

( 确定  1 ) 的取值范围, 并求直线A 的方程; B   ( 试判断是否存在这样的 , 2 )   使得 A . 、B.   D在同一个圆上?并说明理由. ”从而又弓  I

. 2o 2 +a s 2 . c s  .b O 2 i   b c s  ̄ 2i2 ,  n 0= 2 o 2 +a sn  

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。 2 2 , . 一b ≠0 .a  

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sn i  0= sn i  ,  

。 sn0> 0 sn > 0  i , i  ,

发对此问题的讨论. 由于结论十分简明, 容易触  发人们的好奇心.   定理 椭圆  + : 1   = 上四点共圆的充要  =

条件是 此四点的离 心角之和为7的偶数倍. r   证明: 设椭圆上依次四点A B   、 按逆  、 、 D(

. sn0= sn , . i  . i  

。 -   ,. + = 丌 .0≠ 。 .0   .   如果 0= = ,     也有 0   = 7 + r 以直  .所 线A C、BD 的倾斜 角互补, 故它们的斜率互为  相反数 ( 如果斜率不存在, C B 则A 、 D均与  轴 

时针序排列) 的离心角为  ( =1 2 3 4. i , , , ) 不  妨设A 、 D交于点Q z, ) 直线A 、 D CB (0y , o  B  

的倾斜角分别为0 , 、 则直线  BD的参数方 

程分别为 

=口0+ 刚   ,  

垂直, 这与A C B D是逆时针顺序矛盾) .   b i —s   ) (n s  l i 3 n  

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( ∈Z , 0 l  3 忆 一(2  4  扎 ) 贝  + =2 7 a + ) r ,

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数 擎教学 

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(一 +) 礼 下c 丌a  ̄ e4  

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^ 直线 A B的方程为 +Y 一4 . =0   直线 D的方程为 Y = 一1 即 一   一3   ,  +

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由于直线 A B、 C D的倾斜角互补, 由定理  可知 ,B、 、D四点共圆.     在高考 中关 于圆锥 曲线上 四点共 圆问题 的   出现并非首次。 下面请看 20 年广东的试

题. 02  

b  S 2O2 C  +a n =bCS( 一 + 2i2 s 2 O 7  )   r

设 、 是双曲   一去 =1 两点 点   B 线 2   上 , 

N( 2是线段A 1) , B的中点.   () 1求直线AB的方程;   ( 如果线段A 2 ) B的垂直平分线与双曲线相  

交于 C、D两点, 那么 A 、B、G 、D四点是否共  圆?为什么?  

s 2 r  ) 2O2 i ( 一 =b CS n7    +a n . 2i   s2

.t z t 4 从而 lA l llB lD . .l =2 , t t   l =  I } 1 Q (   =

根据圆幂定理 的逆定理, 可得 A 、B、 、D    四点共圆.  

对于抛物线、双曲线可有以下定理.   定理 抛物线上四点A、B、C 、D( 顺序是  逆时针的) 共圆的充要条件是直线A C、BD的  倾斜角互补。  

定理 双 曲线上 四点 A 、B、C 、D( 顺序是 

解:1 设 A B的坐标分别为 Ax,1  ( ) 、 (l ) y、 B x,2 则  (23) ,, 2i   =2  一 } ,   ①   2;   =2  一 i ,   ②  

逆时针的) 共圆的充要条件是直线A C、BD的  倾斜角互补.  

①一 ⑦得2 2   ) Y一 ≥:0 ( 一 ;一(  ) ,   }  

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l 2 2x + ) —y   (l  2  

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直线 A B的方程 Y 一2= 一1 即    ,

图 1  

(A 2 B的垂直平分线与双曲线交于e   ) 、D 两点。由于直线 A B与 CD的倾斜角互补,   所以

对于椭 圆前面 已经证 明, 抛物线、双 曲线完  全可仿照椭圆的证 明方法 获得证明。 这里从略.  

B、 、D 四点共圆.    

最后用同样方法可以解决湖北的试题. 这一  方法也适用于抛物线、双曲线的证明.  

设A x,1 (2y) (l ) x ,2在椭圆3 。 2   y 、B   +Y =

上, 则有  ;1 =, :  :3 =, :  即 l 2 , l 2 6 +X :2 Y +Y = .  

如果不用这一定理, 则需要求 出直线 C D的  方程Y=一  +3 代入双曲线方程, . 求 、D两  点的横坐标  、 所满足的二次方程, 3  4 用韦达定  理求得X + 、XX 的值。 3  4 34 然后

运用向量 C   P.  

又3i   = 3l   =   + }  ,  + 2  两式 相减:  

3 l   ) 1   ) Y- 2( + 2 =0 ( — 2( + 2 +(l Y) l Y) ,     Y   1     3x + ) 一2 (l  2  

. 

D = ( 户: 0其中P点可以是以C : D为直径的圆上   任意一点)可证 、 , B的坐标满足此圆方穆 这   样运算量就不轻了. 本题的证法较多, 是一题多  

解的好练 习.   由前述圆锥曲线上四点共圆的充要条件, 广  东 的试题可以直接获解.  

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~  

●●

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~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

( 上接第21 页   -0 )

即点  的轨迹是 以原点 0为圆心, 为半径的  以凸

注: 根据探 究41 .和探究 4 可知, . 2 动点分别 

在左右支上运动产生的点  的轨迹均为圆弧, 而 

圆( 两个点除外) .  

且这两段圆弧合 并在一起刚好是一个 圆!  

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20 年第 2   07 期

圆锥 曲线上 四点共圆的充要条件 

2 15 数学思维训练左右脑协调研究中心 陈振宣 03 0  

百年以前, 著名的教材《 坐标几何} o e  ( ny L 著) 中曾提到椭圆上四点共圆的必要条件: 四点  圆  的离心角之和为7 r 的偶数倍. 证明方法十分巧妙,   4 =  ,   但要应用高次方程的韦达定理. 这一条件是否充  必要性: 如果 A,E C、 j、 D四点共圆, } 根据 圆   分, 一直是悬案. 在上世纪八十年代编写 《 数学  幂定理, IA ICI :Q IDI即ItI   有Q I Q = IBI ,  ̄ 2 = = Q 1 题解辞典》 平面解析几何时, 仍未获解决.至上  It . t 4  31

。   。

,  

世纪九十年初编写 《 中学数 学范例 点评》 才  时, 证明了此条件的充分性.20 年湖北高考理工  05 第2 题: 1 “ 设A、B是椭圆3 +Y  上两点,   2=   分线与椭 圆相交于  、D两点.  

‘ 2C S .  O 20+ a  i 20> 0 .b 2 n  s

,  

b CS 2 O 2妒+ a2 i 2 > 0 sn 妒

,  

点NO, 是线段A 3 ) B的中点, 线段A B的垂直平 

( 确定  1 ) 的取值范围, 并求直线A 的方程; B   ( 试判断是否存在这样的 , 2 )   使得 A . 、B.   D在同一个圆上?并说明理由. ”从而又弓  I

. 2o 2 +a s 2 . c s  .b O 2 i   b c s  ̄ 2i2 ,  n 0= 2 o 2 +a sn  

即( —6 s 2 +6 =(2 2s 2 a 2 i   2 a 一b)i  +b, 2 )n 0 n    

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sn i  0= sn i  ,  

。 sn0> 0 sn > 0  i , i  ,

发对此问题的讨论. 由于结论十分简明, 容易触  发人们的好奇心.   定理 椭圆  + : 1   = 上四点共圆的充要  =

条件是 此四点的离 心角之和为7的偶数倍. r   证明: 设椭圆上依次四点A B   、 按逆  、 、 D(

. sn0= sn , . i  . i  

。 -   ,. + = 丌 .0≠ 。 .0   .   如果 0= = ,     也有 0   = 7 + r 以直  .所 线A C、BD 的倾斜 角互补, 故它们的斜率互为  相反数 ( 如果斜率不存在, C B 则A 、 D均与  轴 

时针序排列) 的离心角为  ( =1 2 3 4. i , , , ) 不  妨设A 、 D交于点Q z, ) 直线A 、 D CB (0y , o  B  

的倾斜角分别为0 , 、 则直线  BD的参数方 

程分别为 

=口0+ 刚   ,  

垂直, 这与A C B D是逆时针顺序矛盾) .   b i —s   ) (n s  l i 3 n  

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(一 +) 礼 下c 丌a  ̄ e4  

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=一 毗 T +a c a 2 4

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. k C+ k D=0 即日   =7  . A . B , + r .

由于直线 A B、 C D的倾斜角互补, 由定理  可知 ,B、 、D四点共圆.     在高考 中关 于圆锥 曲线上 四点共 圆问题 的   出现并非首次。 下面请看 20 年广东的试

题. 02  

b  S 2O2 C  +a n =bCS( 一 + 2i2 s 2 O 7  )   r

设 、 是双曲   一去 =1 两点 点   B 线 2   上 , 

N( 2是线段A 1) , B的中点.   () 1求直线AB的方程;   ( 如果线段A 2 ) B的垂直平分线与双曲线相  

交于 C、D两点, 那么 A 、B、G 、D四点是否共  圆?为什么?  

s 2 r  ) 2O2 i ( 一 =b CS n7    +a n . 2i   s2

.t z t 4 从而 lA l llB lD . .l =2 , t t   l =  I } 1 Q (   =

根据圆幂定理 的逆定理, 可得 A 、B、 、D    四点共圆.  

对于抛物线、双曲线可有以下定理.   定理 抛物线上四点A、B、C 、D( 顺序是  逆时针的) 共圆的充要条件是直线A C、BD的  倾斜角互补。  

定理 双 曲线上 四点 A 、B、C 、D( 顺序是 

解:1 设 A B的坐标分别为 Ax,1  ( ) 、 (l ) y、 B x,2 则  (23) ,, 2i   =2  一 } ,   ①   2;   =2  一 i ,   ②  

逆时针的) 共圆的充要条件是直线A C、BD的  倾斜角互补.  

①一 ⑦得2 2   ) Y一 ≥:0 ( 一 ;一(  ) ,   }  

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● ●

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l 2 2x + ) —y   (l  2  

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1 2 2x +X ) , 一Y   (l 2    

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1—  2   — Y+ 1 = 0  .

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直线 A B的方程 Y 一2= 一1 即    ,

图 1  

(A 2 B的垂直平分线与双曲线交于e   ) 、D 两点。由于直线 A B与 CD的倾斜角互补,   所以

对于椭 圆前面 已经证 明, 抛物线、双 曲线完  全可仿照椭圆的证 明方法 获得证明。 这里从略.  

B、 、D 四点共圆.    

最后用同样方法可以解决湖北的试题. 这一  方法也适用于抛物线、双曲线的证明.  

设A x,1 (2y) (l ) x ,2在椭圆3 。 2   y 、B   +Y =

上, 则有  ;1 =, :  :3 =, :  即 l 2 , l 2 6 +X :2 Y +Y = .  

如果不用这一定理, 则需要求 出直线 C D的  方程Y=一  +3 代入双曲线方程, . 求 、D两  点的横坐标  、 所满足的二次方程, 3  4 用韦达定  理求得X + 、XX 的值。 3  4 34 然后

运用向量 C   P.  

又3i   = 3l   =   + }  ,  + 2  两式 相减:  

3 l   ) 1   ) Y- 2( + 2 =0 ( — 2( + 2 +(l Y) l Y) ,     Y   1     3x + ) 一2 (l  2  

. 

D = ( 户: 0其中P点可以是以C : D为直径的圆上   任意一点)可证 、 , B的坐标满足此圆方穆 这   样运算量就不轻了. 本题的证法较多, 是一题多  

解的好练 习.   由前述圆锥曲线上四点共圆的充要条件, 广  东 的试题可以直接获解.  

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1 ‘  

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~ ~ ~ ~ ~ , 、 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

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( 上接第21 页   -0 )

即点  的轨迹是 以原点 0为圆心, 为半径的  以凸

注: 根据探 究41 .和探究 4 可知, . 2 动点分别 

在左右支上运动产生的点  的轨迹均为圆弧, 而 

圆( 两个点除外) .  

且这两段圆弧合 并在一起刚好是一个 圆!  


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