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圆锥曲线的焦弦:参数长度与退化方向

拓展更新于 2026-09-29

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过焦点的直线可用单位方向向量参数化。参数差就是弦长,能同时处理竖直线并明确何时只有一个有限交点。

椭圆焦弦公式的推导

设椭圆 x2/a2+y2/b2=1x^2/a^2+y^2/b^2=1,a>b>0a>b>0,c2=a2−b2c^2=a^2-b^2。过右焦点 (c,0)(c,0) 的直线写成

x=c+tcos⁡α,y=tsin⁡α,t∈R.x=c+t\cos\alpha,\qquad y=t\sin\alpha,\qquad t\in\mathbb R.

代入并乘 a2b2a^2b^2,得

Dt2+2b2ccos⁡α t−b4=0,D=b2cos⁡2α+a2sin⁡2α=b2+c2sin⁡2α.D t^2+2b^2c\cos\alpha\,t-b^4=0,\qquad D=b^2\cos^2\alpha+a^2\sin^2\alpha=b^2+c^2\sin^2\alpha.

因 D>0D>0 且根积负,两个交点位于焦点两侧。判别式为 4a2b44a^2b^4,所以

∣AB∣=∣t1−t2∣=2ab2b2+c2sin⁡2α.|AB|=|t_1-t_2|=\frac{2ab^2}{b^2+c^2\sin^2\alpha}.

故 2b2/a≤∣AB∣≤2a2b^2/a\le |AB|\le2a。垂直长轴的焦弦最短,称为通径;沿长轴时最长。

双曲线:分母为零意味着什么

设双曲线 x2/a2−y2/b2=1x^2/a^2-y^2/b^2=1,a,b>0a,b>0,c2=a2+b2c^2=a^2+b^2。同样过右焦点参数化,得

Dt2+2b2ccos⁡α t+b4=0,D=b2−c2sin⁡2α.D t^2+2b^2c\cos\alpha\,t+b^4=0,\qquad D=b^2-c^2\sin^2\alpha.

若 D≠0D\ne0,判别式仍为 4a2b4>04a^2b^4>0,所以有两个不同有限交点,

∣AB∣=2ab2∣b2−c2sin⁡2α∣.|AB|=\frac{2ab^2}{|b^2-c^2\sin^2\alpha|}.

D<0D<0 时根积为负,焦点在弦段内部,两个交点在右支;D>0D>0 时两根同号,焦点在弦段外部,两个交点分属左右两支。支的位置可直接核验。由 xi=c+ticos⁡αx_i=c+t_i\cos\alpha 及韦达关系,

x1x2=−a2(b2+c2sin⁡2α)D,x1+x2=−2ca2sin⁡2αD.x_1x_2=-\frac{a^2(b^2+c^2\sin^2\alpha)}D,\qquad x_1+x_2=-\frac{2ca^2\sin^2\alpha}D.

D>0D>0 时横坐标异号,分属两支;D<0D<0 时横坐标同号且和为正,因此都在右支。

若 D=0D=0,直线平行于渐近线,方程退化为一次式,只有一个有限交点,不能把弦长写成“无穷大”。此时 cos⁡α≠0\cos\alpha\ne0,一次项不会同时消失。

抛物线:轴向直线不构成焦弦

设抛物线 y2=2pxy^2=2px,p>0p>0,焦点为 (p/2,0)(p/2,0)。令

x=p/2+tcos⁡α,y=tsin⁡α.x=p/2+t\cos\alpha,\qquad y=t\sin\alpha.

则 sin⁡2α t2−2pcos⁡α t−p2=0\sin^2\alpha\,t^2-2p\cos\alpha\,t-p^2=0。当 sin⁡α≠0\sin\alpha\ne0,两根异号,判别式为 4p24p^2,所以

∣AB∣=2psin⁡2α≥2p.|AB|=\frac{2p}{\sin^2\alpha}\ge2p.

最短焦弦是垂直轴的通径。当 sin⁡α=0\sin\alpha=0,直线就是轴,只与抛物线交于顶点,不能沿用二交点公式。

若两交点横坐标为 x1,x2x_1,x_2,焦点位于弦段内,利用焦半径 PF=x+p/2PF=x+p/2 还可得到 ∣AB∣=x1+x2+p|AB|=x_1+x_2+p。

抛物线焦弦的端点乘积

设 A(x1,y1),B(x2,y2)A(x_1,y_1),B(x_2,y_2) 是抛物线 y2=2pxy^2=2px(p>0p>0)上一条焦弦的两个不同端点。焦弦不平行于 xx 轴,可统一写为 x=p/2+tyx=p/2+ty,其中 t∈Rt\in\mathbb R;这也包括竖直通径 t=0t=0。

代入抛物线方程得

y2−2pty−p2=0.y^2-2pty-p^2=0.

由韦达定理,y1y2=−p2y_1y_2=-p^2,因此两端点纵坐标均非零。又 xi=yi2/(2p)>0x_i=y_i^2/(2p)>0,于是

x1x2=(y1y2)24p2=p24.x_1x_2=\frac{(y_1y_2)^2}{4p^2}=\frac{p^2}{4}.

原点与两端点连线的斜率 ki=yi/xik_i=y_i/x_i 均存在,且

k1k2=y1y2x1x2=−4.k_1k_2=\frac{y_1y_2}{x_1x_2}=-4.

这里 −4-4 对应当前参数约定 y2=2pxy^2=2px,并非“两条连线垂直”;垂直的斜率乘积应为 −1-1。

焦半径比值与方向符号

椭圆右焦点 F=(c,0)F=(c,0),朝单位方向 (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta,\sin\theta) 的端点记为 PP,反方向端点为 QQ。由焦准定义或余弦定理,

FP=b2a+ccos⁡θ,FQ=b2a−ccos⁡θ.FP=\frac{b^2}{a+c\cos\theta},\qquad FQ=\frac{b^2}{a-c\cos\theta}.

两分母均为正。若 FQ=λFPFQ=\lambda FP,则

ecos⁡θ=λ−1λ+1.e\cos\theta=\frac{\lambda-1}{\lambda+1}.

改变焦点、方向或较长端点的命名,会改变余弦的符号;不能只记比值公式而省略图形约定。

对抛物线 y2=2pxy^2=2px 的焦点,沿同一方向的正向端点满足

FP=p1−cos⁡θ,FQ=p1+cos⁡θ,sin⁡θ≠0.FP=\frac{p}{1-\cos\theta},\qquad FQ=\frac{p}{1+\cos\theta},\qquad \sin\theta\ne0.

因此 1/FP+1/FQ=2/p1/FP+1/FQ=2/p。两种曲线中的正向公式符号不同,源于所选焦点的准线位于哪一侧。

双曲线可能出现焦点在弦段之外,不能不分同支、异支地套用上述“正反方向各一个端点”的模型;应采用本篇带符号参数 tt 的二次方程判别。

抛物线焦弦的三个直径圆

抛物线 y2=2pxy^2=2px 上焦弦端点参数为 A=(pt2/2,pt),B=(ps2/2,ps)A=(pt^2/2,pt),B=(ps^2/2,ps),其中 ts=−1ts=-1。设弦中点为 N=(xN,yN)N=(x_N,y_N)。由 AB=2xN+pAB=2x_N+p,以 ABAB 为直径的圆半径为 xN+p/2x_N+p/2,恰等于 NN 到准线 x=−p/2x=-p/2 的距离,所以该圆与准线相切。

以 AFAF 为直径的圆的圆心横坐标为 (xA+p/2)/2=AF/2(x_A+p/2)/2=AF/2,因此这个圆与 yy 轴相切;以 BFBF 为直径的圆同理。所有长度都是正数,且焦弦不能沿对称轴。

这些相切结论来自圆心到直线的距离等于半径。对一般不过焦点的弦,AB=2xN+pAB=2x_N+p 通常不成立,不能直接照搬。

三类公式的检查方法

椭圆 x2/25+y2/9=1x^2/25+y^2/9=1 的通径为 18/518/5,水平焦弦为 1010。双曲线 x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1 的水平焦弦为 66,通径为 32/332/3;这也说明不能把椭圆“通径最短”的结论照搬到双曲线。抛物线 y2=4xy^2=4x 中 p=2p=2,倾角 π/6\pi/6 的焦弦长度为 1616。

公式中的 α\alpha 是直线方向与轴的夹角;同一直线方向改成 α+π\alpha+\pi,平方正弦不变,弦长也不变。

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