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巧用圓

2011-12-31 00:00:00盛茜
考試周刊 2011年89期


  1.背景
  高三數(shù)學(xué)一輪復(fù)習(xí)已接近尾聲,本以為學(xué)生解題水平達(dá)到了一個(gè)較高層次,但昨天作業(yè)中的一道題卻讓我內(nèi)心糾結(jié),本來(lái)以為“掃盲”的題,卻出現(xiàn)了很高的錯(cuò)誤率.問(wèn)題究竟出在哪里呢?于是,我決定在課堂上和同學(xué)們共同探討錯(cuò)誤的根源.
  2.課堂對(duì)話(huà)實(shí)錄
  問(wèn)題1.由直線(xiàn)y=x+1上的一點(diǎn)向圓(x-3)+y=1引切線(xiàn),則切線(xiàn)長(zhǎng)的最小值為?搖 ?搖?搖?搖.
  生1:因?yàn)橐笄芯€(xiàn)長(zhǎng)最小,所以猜想當(dāng)切線(xiàn)與直線(xiàn)垂直時(shí)距離最小,故計(jì)算得出切線(xiàn)長(zhǎng)最小值為2.
  師:你的猜想有沒(méi)有根據(jù)呢?
  生1:反正感覺(jué)有垂直就會(huì)取到最小值.
  生2:我的結(jié)果和他不一樣,我這樣做的:設(shè)直線(xiàn)上任意一點(diǎn)A(x,x+1),則切線(xiàn)長(zhǎng)為==,故當(dāng)x=1時(shí),切線(xiàn)長(zhǎng)的最小值為.
  師:大家覺(jué)得怎樣?運(yùn)用了怎樣的思想方法?
  這時(shí)許多同學(xué)紛紛點(diǎn)頭,感覺(jué)有理有據(jù),是典型的利用函數(shù)思想方法求最值.
  師:生1的方法雖然有問(wèn)題,但能不能修改呢?
  生3:我覺(jué)得可以先求圓心到直線(xiàn)的距離.由題意知,要使切線(xiàn)長(zhǎng)最小,只要使該點(diǎn)到圓心距離最小,即為圓心到直線(xiàn)距離.如圖1,圓心到直線(xiàn)距離d==2,故切線(xiàn)長(zhǎng)為=.
  師:這樣解題的依據(jù)是什么?
  絕大部分同學(xué)恍然大悟,異口同聲:圓切線(xiàn)的幾何性質(zhì)!
  師:有誰(shuí)能比較一下剛才的兩種解法?
  生1:我知道自己錯(cuò)在什么地方了,不能憑感覺(jué)瞎猜,解題要有依據(jù).我比較兩種解法,后者突出了圓的幾何性質(zhì),把原來(lái)直線(xiàn)上的動(dòng)點(diǎn)與圓上的動(dòng)點(diǎn)這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)距離問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)到定直線(xiàn)的距離,使得解法更直觀(guān)更簡(jiǎn)潔.
  師:通過(guò)剛才的一番討論,我們終于搞清了錯(cuò)誤的原因.在本題中,主要是突出了圓心的重要作用,此種方法的應(yīng)用還有很多,請(qǐng)看如下問(wèn)題.
  問(wèn)題2.已知圓C:(x+2)+y=4,相互垂直的兩條直線(xiàn)l、l都過(guò)點(diǎn)A(-1,0).l交⊙C于E,F(xiàn)兩點(diǎn),l交⊙C于G,H兩點(diǎn),
 ?。?)求四邊形EGFH面積的最大值;
 ?。?)求l、l被圓C所截得弦長(zhǎng)EF與GH之和的最大值.
  三分鐘后,生4舉手求助,看到他的草稿紙密密麻麻,于是拿到實(shí)物投影下.
  同學(xué)們驚呼:哇!
  原來(lái)他是設(shè)直線(xiàn)斜率聯(lián)列方程,用代數(shù)方法求弦長(zhǎng),一番計(jì)算后,沒(méi)有信心做下去了.
  師:看來(lái)不是所有的題用函數(shù)思想都能順利解決的.不妨作圖觀(guān)察一下,能否借助于圓的幾何性質(zhì),參照問(wèn)題1的方法來(lái)求解呢?
  生5:剛才是切線(xiàn)長(zhǎng),現(xiàn)在是弦長(zhǎng),不一樣???
  師:弦長(zhǎng)可以轉(zhuǎn)化為什么線(xiàn)段的長(zhǎng)度?
  生5:難道又是圓心到直線(xiàn)的距離?
  生6:設(shè)圓心C到l的距離為d,到l的距離為d,弦長(zhǎng)分別為L(zhǎng),L,利用垂徑定理和勾股定理得()=r-d,()=r-d.這樣我就把動(dòng)弦長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)到直線(xiàn)的距離了,可是……
  師:很好,思路不錯(cuò).可是也在動(dòng),有什么是不動(dòng)的嗎?
  生5:由圖2看出,兩個(gè)垂足和圓心及定點(diǎn)構(gòu)成矩形,且對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度恒定,所以必定有:d+d=CA=1,故()+()=2r-(d+d)=8-1=7,即L+L=28.設(shè)四邊形EGFH面積為S,則S=LL,由于L+L=28,利用基本不等式可得LL≤=14,故四邊形EGFH面積最大值為7.
  師:大家感覺(jué)怎樣?
  生6:總的來(lái)說(shuō)還是“化動(dòng)為定”,不過(guò)這里還運(yùn)用了基本不等式的知識(shí).
  師:好的,所以我們?cè)诙啅?fù)習(xí)中要加強(qiáng)對(duì)知識(shí)之間相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)……
  話(huà)音未落,生7又舉起了手.
  生7:我第二問(wèn)也做好了.要求L+L的最大值,又L+L=2(+)=2(+),其實(shí)也是用基本不等式≤(a,b≥0),可得:L+L≤4=4=2,故弦長(zhǎng)之和最大值為2.
  生7的一番話(huà)語(yǔ)之后,課堂再次熱鬧起來(lái).
  師:有誰(shuí)對(duì)該題小結(jié)或提煉一下嗎?
  生8:該解法避開(kāi)聯(lián)列方程等繁瑣的手段,通過(guò)研究圓心到直線(xiàn)的距離的性質(zhì)來(lái)解決兩條動(dòng)弦長(zhǎng)的和的最值問(wèn)題,體現(xiàn)了“化動(dòng)為定”的思想.
  師:總結(jié)得非常到位.該題看似與問(wèn)題1不同,但他們有相同的“根基”,即都是解決與圓有關(guān)的動(dòng)線(xiàn)段問(wèn)題,那么我們?cè)诮鉀Q此類(lèi)問(wèn)題時(shí)要利用好圓心“化動(dòng)為定”.
  師:如果將圓與圓錐曲線(xiàn)知識(shí)相結(jié)合,我們又該如何下手呢?請(qǐng)看下面挑戰(zhàn)大家“智慧”的兩道高考題.
  問(wèn)題3.(2009重慶卷文)已知以原點(diǎn)O為中心的雙曲線(xiàn)的一條準(zhǔn)線(xiàn)方程為x=,離心率e=.
 ?。á瘢┣笤撾p曲線(xiàn)的方程;
 ?。á颍┤鐖D3,點(diǎn)A的坐標(biāo)為(-,0),B是圓x+(y-)=1上的點(diǎn),點(diǎn)M在雙曲線(xiàn)右支上,求|MA|+|MB|的最小值,并求此時(shí)點(diǎn)M的坐標(biāo).
  第一問(wèn)解答略,雙曲線(xiàn)的方程為x-=1.
  師:要使|MA|+|MB|最小,但|MA|,|MB|都是動(dòng)線(xiàn)段,怎樣“化動(dòng)為定”呢?
  生9:記得有過(guò)這樣一道題,在x軸上找一點(diǎn)M,使該點(diǎn)到兩個(gè)定點(diǎn)A(-1,2),B(3,5)的距離之和最小,即求|MA|+|MB|的最小值,好像很像??!
  師:很好,那么在生9所說(shuō)的那道題里,點(diǎn)A,點(diǎn)B是定點(diǎn),而我們題目里點(diǎn)B是動(dòng)點(diǎn),怎樣轉(zhuǎn)化呢?
  生10:可不可以轉(zhuǎn)化到圓心C的距離呢?如果|MA|+|MC|最小,只要減去半徑就是|MA|+|MB|的最小值了呀!
  師:有思想。具體如何“操作”呢?剛才生9類(lèi)比的很有道理,我們是如何轉(zhuǎn)化折線(xiàn)段長(zhǎng)度之和的?
  生11:利用三點(diǎn)共線(xiàn).可以分別考慮利用雙曲線(xiàn)的定義轉(zhuǎn)化線(xiàn)段|MA|,利用動(dòng)點(diǎn)到圓心距離來(lái)轉(zhuǎn)化線(xiàn)段|MB|:如圖4,設(shè)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(,0),則點(diǎn)A、D為雙曲線(xiàn)的焦點(diǎn),|MA|- |MD|=2a=2,所以|MA|+|MB|=2+|MB|+|MD|≥2+|BD|.由于B是圓x+(y-)=1上的點(diǎn),其圓心為C(0,),半徑為1,故 |BD|≥|CD|-1=+1,從而|MA|+|MB|≥2+|BD|≥+1.
  當(dāng)M,B在線(xiàn)段CD上時(shí)取等號(hào),此時(shí)|MA|+|MB|的最小值為+1.
  又直線(xiàn)CD的方程為y=-x+,因點(diǎn)M在雙曲線(xiàn)右支上,故x>0.
  由方程組4x-y=4y=-x+,解得x=,y=.
  所以點(diǎn)的坐標(biāo)為,.
  問(wèn)題4.已知圓A:(x-1)+y=4與x軸負(fù)半軸交于點(diǎn)B,過(guò)B的弦BE與y軸正半軸交于點(diǎn)D,且2BD=DE,曲線(xiàn)C是以A,B為焦點(diǎn)且過(guò)點(diǎn)D的橢圓,
 ?。?)求橢圓的方程;
 ?。?)點(diǎn)P在橢圓C上運(yùn)動(dòng),點(diǎn)Q在圓A上運(yùn)動(dòng),求PQ+PD的最大值.
  由于問(wèn)題3與問(wèn)題4可以采用類(lèi)比的方法來(lái)解決,故讓同學(xué)們獨(dú)立完成.
 ?。ㄎ宸昼姾螅?shí)物投影同學(xué)們的答案如下:
  第一問(wèn)解答略,橢圓方程為+3y=1.
  要使PQ+PD最大,只要使PA+PD最大,只要使2a-PB+PD最大,只要使PD-PB最大,當(dāng)P,B,D三點(diǎn)共線(xiàn)時(shí)(如圖5).
 ?。≒Q+PD)=(PA+PD)+r=(2a-PB+PD)+r=(PD-PB)+2a+r=BD+2a+r=3a+r=2+2(其中a為橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng),r為圓半徑).
  3.學(xué)習(xí)反思
  課后,許多同學(xué)找了很多以前沒(méi)有解決或還心存困惑的問(wèn)題.大家欣喜地發(fā)現(xiàn),通過(guò)這堂課的探究,找到了解決此類(lèi)問(wèn)題的一般方法.同學(xué)們?cè)诟呷亩啅?fù)習(xí)中不僅僅是空洞的羅列知識(shí)點(diǎn),做大量的題目或者是一味地追求所謂的應(yīng)試技巧,對(duì)于我們同學(xué)來(lái)說(shuō)最重要的是學(xué)會(huì)總結(jié)方法,提煉思想.著名數(shù)學(xué)家華羅庚先生把讀書(shū)過(guò)程歸結(jié)為“由薄到厚”“由厚到薄”,當(dāng)你對(duì)書(shū)的內(nèi)容真正有了透徹的了解,抓住了全書(shū)的要點(diǎn),掌握了全書(shū)的精神實(shí)質(zhì)后,讀書(shū)就由厚變薄了,愈是懂得透徹,就愈有薄的感覺(jué).我想我們的二輪復(fù)習(xí)過(guò)程正是要讓書(shū)本“由厚到薄”的過(guò)程,即用一種“收斂、整合”的態(tài)度來(lái)認(rèn)識(shí)整個(gè)高中數(shù)學(xué)知識(shí),這樣我們才能學(xué)得有勁,學(xué)得輕松,才能真正做到靈活運(yùn)用,提高高三數(shù)學(xué)二輪復(fù)習(xí)的有效性.

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