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如何开挂般地速算轨迹方程

文章转自知乎@小猿搜题

编辑:快乐数学邦

有时候在圆锥曲线中我们会遇到一些计算极端繁琐的轨迹方程问题,比如:

如图,抛物线 
 与椭圆 
 有四个交点,这四个交点共圆,求该圆的方程.

通常情况下,根据对称性,我们要先求出来点 

 和 
 的坐标,然后求出线段 
 的中垂线,中垂线与 
 轴的交点就是圆心,再用两点间距离公式算出半径,得到圆的方程.

但是稍微操作一下就会发现,把两个方程联立,消去 

 ,得到 
 ,这样两个纵坐标分别为 
 ,接下去求横坐标... 我想小猿老师不需要说下去了,后面的过程肯定是繁琐无比的,甚至一不留神就算错了.

这里老师介绍一种开挂般的速算办法——曲线系方法.

在直线与圆的章节当中,猿宝们应该学过圆系,给定两个圆的方程 

 和 
,如果我们将其进行组合,变成 
 ,其中 
 和 
 是实数,则 
 表示的曲线必然会过 
 和 
 的交点(后面会解释这是为什么),特别的,当 
 的时候,二次项被消去了,退化成了直线,此时 
 表示过 
 和 
 的交点的直线.

如果我们把眼界扩张出去,用 

 表示一个关于 
 和 
 的二次函数(这个式子充分说明了圆方程当中 
 、 
 的系数和常数项分别使用 
 的原因不是 
 被直线的一般方程用完了,手动滑稽),那么 
 就可以表示一个二次曲线,这里二次曲线可以是椭圆、抛物线、双曲线等等,比方说, 
 、 
 、 
 、 
 ,那么 
 就代表椭圆 
 .

此时,我们拿两个这样的方程 

 和 
 ,假设两个方程交于点 
,这意味着 
 既可以使 
 为 
 ,也可以使 
 为 
 ,那么自然而然,也可以使得 
 为 
 . 此时不论 
 和 
 是多少,组合出来的方程,一定会过原来两个方程所代表图像的交点.

我们回看到原题当中,一个抛物线 

 ,一个椭圆 
 ,我们先整理成 
 的形式,分别为 
 , 
 ,然后组合在一起,写成 
 (下面的视频红色曲线展示了当 
 和 
改变的时候,曲线的变化的过程,可以看出无论怎么动,都会过抛物线和椭圆的交点).

这样,我们只需要给定 

 和 
 的值,让这个式子是一个圆即可. 回想一下,圆的一般方程的特征是 
 和 
 的系数均为 
 ,所以可以列出方程组 
 ,解得 
 ,从而可以写出答案: 
 .

你学会了吗?

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