• 交轨法


    前言

    交轨法,是解析几何中求动点轨迹方程的常用方法之一。其使用步骤大致是:首先选择适当的参数表示两动曲线的方程,将两动曲线方程中的参数消去,然后得到不含参数的方程,此方程即为两动曲线交点的轨迹方程,这种求轨迹方程的方法叫做交轨法[交点轨迹法]。

    交轨法也可以说是参数法,但是参数法不一定是交轨法。

    典例剖析

    例1求两条直线(x-my-1=0)(mx+y-1=0)的交点的轨迹方程。

    法1:参数方程法,首先联立两个方程,得到(left{egin{array}{l}{x-my-1=0①}\{mx+y-1=0②}end{array} ight.)

    给②式乘以(m),消(y)得到,(x=cfrac{m+1}{m^2+1}),代入②式得到(y=cfrac{1-m}{m^2+1})

    即交点轨迹的参数方程为

    [left{egin{array}{l}{x=cfrac{m+1}{m^2+1}}\{y=cfrac{1-m}{m^2+1}}end{array} ight.quad (m为参数) ]

    或者说我们就可以用参数方法来回答这个问题。

    不过我们还是继续完成接下来的任务,重点和难点是消参。

    (left{egin{array}{l}{x=cfrac{m+1}{m^2+1}①}\{y=cfrac{1-m}{m^2+1}②}end{array} ight.quad (m为参数)),如何消参,

    给①^2+②^2,得到(x^2+y^2=cfrac{(m+1)^2}{(m^2+1)^2}+cfrac{(1-m)^2}{(m^2+1)^2}=cfrac{2}{m^2+1})

    (x+y=cfrac{2}{m^2+1}),故(x^2+y^2-x-y=0)

    又当(x=0)(y=0)时,(m)不存在,

    故所求的轨迹方程为(x^2+y^2-x-y=0(x eq0且y eq 0))

    法2:交轨法,将两个方程分别变形为(my=x-1)(mx=1-y)

    (m=0)时,两个方程不能相除,此时得到两个直线的交点为((1,1))

    (m eq 0)时,两式相除得到(cfrac{my}{mx}=cfrac{x-1}{1-y}),即(cfrac{y}{x}=cfrac{x-1}{1-y})

    变形为(y(1-y)=x^2-x),整理为(x^2+y^2-x-y=0),即((x-frac{1}{2})^2+(y-frac{1}{2})^2=cfrac{1}{2})

    再分别验证点((1,1))和点((0,1))和点((1,0))都在上述曲线上,但是点((0,0))不应该在轨迹曲线上,

    [为什么验证这四个点,原因是由(cfrac{y}{x}=cfrac{x-1}{1-y}),两个横行即分子分母都为零,得到点((0,1))((1,0)),两个竖行都为零,得到点点((0,0))((1,1)),]

    故所求的轨迹方程为(x^2+y^2-x-y=0(x eq0且y eq 0))

    可转化划归

    例2一动圆(odot P)(odot O_1:x^2+y^2=1)(odot O_2:x^2+y^2-8x+7=0)都内切,求动圆圆心的轨迹。

    法1:定义法,记(odot O_1)的圆心((0,0))为点(F_1),半径为(r_1=1),记(odot O_2)的圆心((4,0))为点(F_2),半径为(r_2=3)

    再设动圆的圆心坐标为(P(x,y)),半径为(R),则由于动圆(odot P)与两个圆都内切,则有(|PF_1|=R+1)(|PF_2|=R+3)

    (|PF_2|-|PF_1|=2),故动点(P)到两个定点的距离的差为定值[注意没有绝对值],则动点的轨迹为双曲线的右支。

    又由上式可知,(a=1)(2c=|F_1F_2|=4),故(c=2),则(b=sqrt{3})

    故得到标准形式的双曲线的方程为(cfrac{x^2}{1^2}-cfrac{y^2}{3}=1)①,

    但是上述的双曲线方程是基于双曲线的中心在坐标原点处的,而本题目的双曲线的中心在点((2,0))

    故将①式对应的图像向右平移两个单位,则得到(cfrac{(x-2)^2}{1^2}-cfrac{y^2}{3}=1),即((x-2)^2-cfrac{y^2}{3}=1)

    故所求的动圆圆心轨迹为双曲线的右支,其中心为((2,0)),实半轴长为(1),虚半轴长为(sqrt{3})的双曲线。

    法2:交轨法,本题目并没有明确要求交点的轨迹,但是我们可以将其转化,使得动点[动圆的圆心]称为两曲线族的交点,用交轨法求解。

    设动圆的圆心坐标为(P(x,y)),半径为(R)(此处我们视其为参数),

    (odot O_1)的圆心((0,0)),半径为(r_1=1)(odot O_2)的圆心((4,0)),半径为(r_2=3)

    则点(P)的第一轨迹是以(O(0,0))为圆心,以(R-1)为半径的圆周(同心圆族),则$$x^2+y^2=(R-1)^2quad ①$$

    (P)的第二轨迹是以(O_1(4,0))为圆心,以(R-3)为半径的圆周(同心圆族),则$$(x-4)^2+y^2=(R-3)^2quad ②$$

    故动圆圆心(P)的轨迹的参数方程为

    [left{egin{array}{l}{x^2+y^2=(R-1)^2}\{(x-4)^2+y^2=(R-3)^2}end{array} ight.quad(R为参数) ]

    联立①②两式,消去参数(R;)[1](;)得到,((x-2)^2-cfrac{y^2}{3}=1)

    [具体的消参过程:
    由①得到,(sqrt{x^2+y^2}+1=R)
    由②得到(sqrt{(x-4)^2+y^2}+3=R)
    则得到(sqrt{x^2+y^2}+1=sqrt{(x-4)^2+y^2}+3)
    先整理得到(sqrt{x^2+y^2}-2=sqrt{(x-4)^2+y^2})
    两边同时平方整理得到,(sqrt{x^2+y^2}=2x-3)
    再次两边同时平方整理得到,((x-2)^2-cfrac{y^2}{3}=1)
    由于(2x-3>0),故(x>cfrac{3}{2}),故只是双曲线的右支]

    故所求的动圆圆心轨迹为双曲线的右支,其中心为((2,0)),实半轴长为(1),虚半轴长为(sqrt{3})的双曲线。


    1. ↩︎
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