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内容
课标主题
选择性必修 · 几何与代数 · 平面解析几何 · 圆锥曲线与方程
人教 A 版
选择性必修第一册 第三章 3.3
考试地位
常考。新高考全国卷(2025 年起称全国一卷、二卷)每套卷都有一道圆锥曲线解答题,2021–2026 年共 12 道:椭圆 6 道(2021 年Ⅱ卷,2024 年Ⅰ卷,2025、2026 年一卷和二卷),双曲线 5 道(2021 年Ⅰ卷,2022 年Ⅰ、Ⅱ卷,2023 年Ⅱ卷,2024 年Ⅱ卷),抛物线 1 道(2023 年Ⅰ卷);抛物线出在解答题里时,走第 33 章“设直线、联立、韦达定理”的套路。小题常考定义的转化(到焦点的距离换成到准线的距离)和焦点弦
前置知识
第 28 章直线的方程(斜率、倾斜角、点到直线的距离)、第 29 章圆的方程、两点间距离公式、第 4 章二次函数
抛物线是三种圆锥曲线里方程最简单的一种:只有一个焦点、一条准线,一个参数 p p p 就把它定下来了。它的题目难度不在方程,而在“转化”:到焦点的距离和到准线的距离可以互换,这一步想到了,很多题两三行就做完;想不到,就只能硬算。丢分多丢在三处:把 y = a x 2 y = ax^2 y = a x 2 的焦点算错、对称轴不确定时只写一种方程、焦点弦的公式用在了不过焦点的弦上。
知识点
一句话
考试中
32.2 抛物线的定义和标准方程
到定点和到定直线距离相等的点的轨迹;四种标准方程由一次项定轴、由符号定开口
必考,多为小题
32.3 抛物线的几何性质
范围、对称轴、顶点、离心率 e = 1 e = 1 e = 1 ;p p p 越大开口越大
常考,多和别的知识一起考
32.4 焦点弦
焦半径 ∣ M F ∣ = x 0 + p 2 \lvert MF \rvert = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p ,焦点弦长 x 1 + x 2 + p x_1 + x_2 + p x 1 + x 2 + p ,y 1 y 2 = − p 2 y_1 y_2 = -p^2 y 1 y 2 = − p 2 ,通径 2 p 2p 2 p
常考,小题的高频考点
定义 :平面内与一个定点 F F F 和一条定直线 l l l (F F F 不在 l l l 上)距离相等的点的轨迹叫抛物线 。定点 F F F 叫抛物线的焦点 ,定直线 l l l 叫抛物线的准线 。
用式子写:点 M M M 在抛物线上,等价于 ∣ M F ∣ = d |MF| = d ∣ M F ∣ = d ,其中 d d d 是 M M M 到准线 l l l 的距离。
焦准距 p p p :焦点到准线的距离记作 p p p (p > 0 p > 0 p > 0 )。抛物线的形状完全由 p p p 决定。
四种标准方程 :把顶点放在原点、对称轴放在坐标轴上,按开口方向有四种:
标准方程
开口
焦点
准线
y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x
向右
( p 2 , 0 ) \left(\dfrac{p}{2}, 0\right) ( 2 p , 0 )
x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p
y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x
向左
( − p 2 , 0 ) \left(-\dfrac{p}{2}, 0\right) ( − 2 p , 0 )
x = p 2 x = \dfrac{p}{2} x = 2 p
x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y
向上
( 0 , p 2 ) \left(0, \dfrac{p}{2}\right) ( 0 , 2 p )
y = − p 2 y = -\dfrac{p}{2} y = − 2 p
x 2 = − 2 p y x^2 = -2py x 2 = − 2 p y
向下
( 0 , − p 2 ) \left(0, -\dfrac{p}{2}\right) ( 0 , − 2 p )
y = p 2 y = \dfrac{p}{2} y = 2 p
表里的 p p p 都大于 0。
怎么认 :
一次项是谁,对称轴就是谁 :一次项是 x x x (y 2 = ± 2 p x y^2 = \pm 2px y 2 = ± 2 p x ),对称轴是 x x x 轴;一次项是 y y y ,对称轴是 y y y 轴。
一次项的符号定开口 :正号开口朝该轴正方向,负号朝负方向。
焦点坐标是一次项系数的 1 4 \dfrac{1}{4} 4 1 :y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 的一次项系数是 2 p 2p 2 p ,焦点横坐标是 2 p 4 = p 2 \dfrac{2p}{4} = \dfrac{p}{2} 4 2 p = 2 p 。准线和焦点关于原点对称。
已知方程求焦点和准线:题目给出 y 2 = − 6 x y^2 = -6x y 2 = − 6 x 、y = 4 x 2 y = 4x^2 y = 4 x 2 这类方程,先化成标准形式,再读出 p p p 。
已知焦点、准线或曲线上的点,求标准方程:题目说“顶点在原点、对称轴是坐标轴”,就是在四种标准方程里选。
求动点的轨迹:题目里出现“到定点的距离等于(或比……多、少)到定直线的距离”,或者“动圆过定点且与定直线相切”,想到抛物线的定义。
已知抛物线上一点到焦点的距离,求点的坐标或 p p p :把到焦点的距离换成到准线的距离。
抛物线上的动点与焦点、定点构成的距离和求最值:题目里出现 ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ |PA| + |PF| ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ ,F F F 是焦点,把 ∣ P F ∣ |PF| ∣ P F ∣ 换成 P P P 到准线的距离。
标准方程里的 p p p 一定大于 0,它是焦点到准线的距离。y 2 = − 6 x y^2 = -6x y 2 = − 6 x 的 p p p 是 3,不是 − 3 -3 − 3 。
y = a x 2 y = ax^2 y = a x 2 不是标准形式,要先化成 x 2 = 1 a y x^2 = \dfrac{1}{a}y x 2 = a 1 y 。这是最常见的丢分点。
定义要求 F F F 不在 l l l 上。如果 F F F 在 l l l 上,到 F F F 和到 l l l 距离相等的点是过 F F F 且垂直于 l l l 的一条直线,不是抛物线。
题目只说“顶点在原点、对称轴是坐标轴”而没说是哪条轴,过一点的抛物线一般有两条,两种都要写。
用定义求轨迹时,要检查轨迹上的点是不是都满足条件,有没有要去掉的部分。
结论:以 F ( p 2 , 0 ) F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) F ( 2 p , 0 ) 为焦点、x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p 为准线的抛物线,方程是 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 。
建系的方法:过焦点 F F F 作准线 l l l 的垂线,垂足为 K K K ,以 K F KF K F 的中点为原点、K F KF K F 所在直线为 x x x 轴建立坐标系。∣ K F ∣ = p |KF| = p ∣ K F ∣ = p ,所以 F ( p 2 , 0 ) F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) F ( 2 p , 0 ) ,准线是 x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p 。
设 M ( x , y ) M(x, y) M ( x , y ) 是抛物线上任意一点,M M M 到准线的距离 d = ∣ x + p 2 ∣ d = \left|x + \dfrac{p}{2}\right| d = x + 2 p 。由定义 ∣ M F ∣ = d |MF| = d ∣ M F ∣ = d :
( x − p 2 ) 2 + y 2 = ∣ x + p 2 ∣ . \sqrt{\left(x - \frac{p}{2}\right)^2 + y^2} = \left|x + \frac{p}{2}\right|. ( x − 2 p ) 2 + y 2 = x + 2 p .
两边平方(关键一步 :两边都是非负数,平方前后等价,不会多出解也不会丢解):
x 2 − p x + p 2 4 + y 2 = x 2 + p x + p 2 4 , x^2 - px + \frac{p^2}{4} + y^2 = x^2 + px + \frac{p^2}{4}, x 2 − p x + 4 p 2 + y 2 = x 2 + p x + 4 p 2 ,
化简得
y 2 = 2 p x . y^2 = 2px. y 2 = 2 p x .
反过来,满足 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 的点倒推回去也满足 ∣ M F ∣ = d |MF| = d ∣ M F ∣ = d ,所以这个方程就是抛物线的方程。
另外三种标准方程同理:焦点放在 x x x 轴负半轴得 y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x ;焦点放在 y y y 轴上,把上面推导里的 x x x 、y y y 互换,得 x 2 = ± 2 p y x^2 = \pm 2py x 2 = ± 2 p y 。
例 1 (场景:已知方程求焦点和准线)求下列抛物线的焦点坐标和准线方程:(1) y 2 = − 6 x y^2 = -6x y 2 = − 6 x ;(2) y = 4 x 2 y = 4x^2 y = 4 x 2 。
解 :
(1) 对照 y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x ,2 p = 6 2p = 6 2 p = 6 ,p = 3 p = 3 p = 3 。开口向左,焦点 ( − 3 2 , 0 ) \left(-\dfrac{3}{2}, 0\right) ( − 2 3 , 0 ) ,准线 x = 3 2 x = \dfrac{3}{2} x = 2 3 。
(2) 先化成标准形式:x 2 = 1 4 y x^2 = \dfrac{1}{4}y x 2 = 4 1 y 。对照 x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y ,2 p = 1 4 2p = \dfrac{1}{4} 2 p = 4 1 ,p = 1 8 p = \dfrac{1}{8} p = 8 1 。开口向上,焦点 ( 0 , 1 16 ) \left(0, \dfrac{1}{16}\right) ( 0 , 16 1 ) ,准线 y = − 1 16 y = -\dfrac{1}{16} y = − 16 1 。
容易卡在:(2) 不化标准形式,直接把 4 当成”2 p 2p 2 p “,得到焦点 ( 0 , 1 ) (0, 1) ( 0 , 1 ) 。
例 2 (场景:求标准方程)求满足下列条件的抛物线的标准方程(顶点在原点,对称轴是坐标轴):(1) 焦点在直线 x − 2 y − 4 = 0 x - 2y - 4 = 0 x − 2 y − 4 = 0 上;(2) 经过点 ( − 2 , 4 ) (-2, 4) ( − 2 , 4 ) 。
解 :
(1) 焦点在坐标轴上,又在直线 x − 2 y − 4 = 0 x - 2y - 4 = 0 x − 2 y − 4 = 0 上,所以焦点是这条直线与坐标轴的交点。
令 y = 0 y = 0 y = 0 ,得 x = 4 x = 4 x = 4 ,焦点 ( 4 , 0 ) (4, 0) ( 4 , 0 ) :p 2 = 4 \dfrac{p}{2} = 4 2 p = 4 ,p = 8 p = 8 p = 8 ,方程 y 2 = 16 x y^2 = 16x y 2 = 16 x 。
令 x = 0 x = 0 x = 0 ,得 y = − 2 y = -2 y = − 2 ,焦点 ( 0 , − 2 ) (0, -2) ( 0 , − 2 ) :p 2 = 2 \dfrac{p}{2} = 2 2 p = 2 ,p = 4 p = 4 p = 4 ,开口向下,方程 x 2 = − 8 y x^2 = -8y x 2 = − 8 y 。
所以方程是 y 2 = 16 x y^2 = 16x y 2 = 16 x 或 x 2 = − 8 y x^2 = -8y x 2 = − 8 y 。
(2) 点 ( − 2 , 4 ) (-2, 4) ( − 2 , 4 ) 在第二象限,抛物线可能开口向左,也可能开口向上。
开口向左,设 y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x :16 = − 2 p ⋅ ( − 2 ) = 4 p 16 = -2p \cdot (-2) = 4p 16 = − 2 p ⋅ ( − 2 ) = 4 p ,p = 4 p = 4 p = 4 ,方程 y 2 = − 8 x y^2 = -8x y 2 = − 8 x 。
开口向上,设 x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y :4 = 2 p ⋅ 4 = 8 p 4 = 2p \cdot 4 = 8p 4 = 2 p ⋅ 4 = 8 p ,p = 1 2 p = \dfrac{1}{2} p = 2 1 ,方程 x 2 = y x^2 = y x 2 = y 。
所以方程是 y 2 = − 8 x y^2 = -8x y 2 = − 8 x 或 x 2 = y x^2 = y x 2 = y 。
容易卡在:只想到一种开口,漏掉另一个答案。
另一种解法 :(2) 不先判断开口,直接设 y 2 = m x y^2 = mx y 2 = m x 和 x 2 = n y x^2 = ny x 2 = n y (m , n ≠ 0 m, n \ne 0 m , n = 0 )。代入 ( − 2 , 4 ) (-2, 4) ( − 2 , 4 ) :16 = − 2 m 16 = -2m 16 = − 2 m ,m = − 8 m = -8 m = − 8 ;4 = 4 n 4 = 4n 4 = 4 n ,n = 1 n = 1 n = 1 。得 y 2 = − 8 x y^2 = -8x y 2 = − 8 x 或 x 2 = y x^2 = y x 2 = y 。m m m 、n n n 的符号自己算出来,不用画图判断开口。已知点、求方程时这种设法更省事;已知焦点或准线时,还是直接用四种标准形式读 p p p 更快。
例 3 (场景:求动点的轨迹)动点 M M M 到点 F ( 3 , 0 ) F(3, 0) F ( 3 , 0 ) 的距离比它到直线 x + 4 = 0 x + 4 = 0 x + 4 = 0 的距离小 1,求 M M M 的轨迹方程。
解 :设 M ( x , y ) M(x, y) M ( x , y ) 。先看 M M M 在直线 x = − 4 x = -4 x = − 4 的哪一侧。
若 x < − 4 x < -4 x < − 4 ,M M M 到 F F F 的距离至少是 3 − x 3 - x 3 − x ,而到直线 x = − 4 x = -4 x = − 4 的距离是 − 4 − x -4 - x − 4 − x ,前者比后者大 7,不可能“小 1”。
所以 M M M 在直线 x = − 4 x = -4 x = − 4 右侧,M M M 到 x = − 4 x = -4 x = − 4 的距离是 x + 4 x + 4 x + 4 ,条件变成 ∣ M F ∣ = x + 4 − 1 = x + 3 |MF| = x + 4 - 1 = x + 3 ∣ M F ∣ = x + 4 − 1 = x + 3 。
x + 3 x + 3 x + 3 正好是 M M M 到直线 x = − 3 x = -3 x = − 3 的距离。于是 M M M 到点 F ( 3 , 0 ) F(3, 0) F ( 3 , 0 ) 的距离等于到直线 x = − 3 x = -3 x = − 3 的距离,M M M 的轨迹是以 F F F 为焦点、x = − 3 x = -3 x = − 3 为准线的抛物线。
p 2 = 3 \dfrac{p}{2} = 3 2 p = 3 ,p = 6 p = 6 p = 6 ,轨迹方程是 y 2 = 12 x y^2 = 12x y 2 = 12 x 。
容易卡在:看不出“小 1”可以通过把直线平移 1 个单位变成“相等”,于是直接列根式方程硬算。
例 4 (场景:已知到焦点的距离求点的坐标)抛物线 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x (p > 0 p > 0 p > 0 )上一点 M ( 4 , m ) M(4, m) M ( 4 , m ) 到焦点的距离是 5,求 p p p 和 m m m 。
解 :准线是 x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p 。由定义,M M M 到焦点的距离等于 M M M 到准线的距离:
4 + p 2 = 5 , 4 + \frac{p}{2} = 5, 4 + 2 p = 5 ,
得 p = 2 p = 2 p = 2 ,抛物线是 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 。M M M 在抛物线上,m 2 = 4 × 4 = 16 m^2 = 4 \times 4 = 16 m 2 = 4 × 4 = 16 ,m = ± 4 m = \pm 4 m = ± 4 。
例 5 (场景:距离和的最值)已知点 A ( 3 , 2 ) A(3, 2) A ( 3 , 2 ) ,F F F 是抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 的焦点,点 P P P 在抛物线上移动。求 ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ |PA| + |PF| ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ 的最小值,以及取最小值时 P P P 的坐标。
解 :p = 2 p = 2 p = 2 ,焦点 F ( 1 , 0 ) F(1, 0) F ( 1 , 0 ) ,准线 x = − 1 x = -1 x = − 1 。
先确认 A A A 在抛物线“里面”(含焦点的一侧):把 y = 2 y = 2 y = 2 代入,抛物线上的点横坐标是 1,而 A A A 的横坐标 3 大于 1,所以 A A A 在里面。
作 P N ⊥ PN \perp P N ⊥ 准线,垂足为 N N N 。由定义 ∣ P F ∣ = ∣ P N ∣ |PF| = |PN| ∣ P F ∣ = ∣ P N ∣ ,所以
∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ = ∣ P A ∣ + ∣ P N ∣ . |PA| + |PF| = |PA| + |PN|. ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ = ∣ P A ∣ + ∣ P N ∣.
∣ P A ∣ + ∣ P N ∣ |PA| + |PN| ∣ P A ∣ + ∣ P N ∣ 是从 A A A 到 P P P 再到准线的折线长。A A A 到准线的所有折线中,最短的是从 A A A 直接向准线作的垂线段,长 3 − ( − 1 ) = 4 3 - (-1) = 4 3 − ( − 1 ) = 4 。当 P P P 恰好在这条垂线段上时取到,此时 P P P 的纵坐标是 2,横坐标 2 2 4 = 1 \dfrac{2^2}{4} = 1 4 2 2 = 1 。
所以最小值是 4,此时 P ( 1 , 2 ) P(1, 2) P ( 1 , 2 ) 。
容易卡在:直接对 ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ |PA| + |PF| ∣ P A ∣ + ∣ P F ∣ 用“两点之间线段最短”,可 A A A 和 F F F 在抛物线同一侧,线段 A F AF A F 不经过抛物线。必须先把 ∣ P F ∣ |PF| ∣ P F ∣ 换掉。
y = a x 2 y = ax^2 y = a x 2 (a ≠ 0 a \ne 0 a = 0 )的焦点是 ( 0 , 1 4 a ) \left(0, \dfrac{1}{4a}\right) ( 0 , 4 a 1 ) ,准线是 y = − 1 4 a y = -\dfrac{1}{4a} y = − 4 a 1 。推导:化成 x 2 = 1 a y x^2 = \dfrac{1}{a}y x 2 = a 1 y ,焦点纵坐标是一次项系数的 1 4 \dfrac{1}{4} 4 1 。a a a 的正负自动决定开口。
同理,y 2 = m x y^2 = mx y 2 = m x (m ≠ 0 m \ne 0 m = 0 )的焦点是 ( m 4 , 0 ) \left(\dfrac{m}{4}, 0\right) ( 4 m , 0 ) ,准线是 x = − m 4 x = -\dfrac{m}{4} x = − 4 m ;x 2 = n y x^2 = ny x 2 = n y (n ≠ 0 n \ne 0 n = 0 )的焦点是 ( 0 , n 4 ) \left(0, \dfrac{n}{4}\right) ( 0 , 4 n ) ,准线是 y = − n 4 y = -\dfrac{n}{4} y = − 4 n 。用这种写法不必分开口方向讨论符号。
抛物线上的点到焦点的距离等于到准线的距离,这一条可以双向用:求 ∣ P F ∣ |PF| ∣ P F ∣ 时换成到准线的距离(例 4),求到准线或到 y y y 轴的距离时换成 ∣ P F ∣ |PF| ∣ P F ∣ (自测第 3 题)。到 y y y 轴的距离 = ∣ P F ∣ − p 2 = |PF| - \dfrac{p}{2} = ∣ P F ∣ − 2 p (对 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x )。
动圆过定点 F F F 又与定直线 l l l 相切(F F F 不在 l l l 上),圆心的轨迹是以 F F F 为焦点、l l l 为准线的抛物线。推导:圆心到 F F F 的距离和到 l l l 的距离都等于半径。
错在哪 :y = 4 x 2 y = 4x^2 y = 4 x 2 的焦点写成 ( 1 , 0 ) (1, 0) ( 1 , 0 ) 或 ( 0 , 1 ) (0, 1) ( 0 , 1 ) 。
为什么错 :y = 4 x 2 y = 4x^2 y = 4 x 2 不是标准形式,4 不是”2 p 2p 2 p “,对称轴也不是 x x x 轴。
正确做法 :先化成 x 2 = 1 4 y x^2 = \dfrac{1}{4}y x 2 = 4 1 y ,读出 2 p = 1 4 2p = \dfrac{1}{4} 2 p = 4 1 ,焦点 ( 0 , 1 16 ) \left(0, \dfrac{1}{16}\right) ( 0 , 16 1 ) 。
错在哪 :过一点求抛物线的标准方程,只写一个答案。
为什么错 :一个不在坐标轴上的点,既在某条开口朝 x x x 轴方向的抛物线上,也在某条开口朝 y y y 轴方向的抛物线上。
正确做法 :题目没说对称轴是哪条时,y 2 = m x y^2 = mx y 2 = m x 和 x 2 = n y x^2 = ny x 2 = n y 两种都设。
错在哪 :认为 y 2 = − 6 x y^2 = -6x y 2 = − 6 x 的 p = − 3 p = -3 p = − 3 ,焦点是 ( 3 2 , 0 ) \left(\dfrac{3}{2}, 0\right) ( 2 3 , 0 ) 。
为什么错 :p p p 是距离,永远大于 0,符号放在方程里表示开口方向。
正确做法 :y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x 对应 2 p = 6 2p = 6 2 p = 6 ,p = 3 p = 3 p = 3 ,开口向左,焦点 ( − 3 2 , 0 ) \left(-\dfrac{3}{2}, 0\right) ( − 2 3 , 0 ) 。或者直接用推论:焦点横坐标是 − 6 4 \dfrac{-6}{4} 4 − 6 。
抛物线就是“焦点和准线的中垂线”的推广:到一个点和到一条直线等距的点,连起来弯成一个碗,碗口朝着焦点那一侧张开,碗底(顶点)正好在焦点和准线正中间。
记标准方程只需要一句话:“一次项定轴、符号定开口、系数除以 4 是焦点。”
前置:第 28 章直线的方程,点到直线的距离公式在定义里用到。
前置:第 4 章二次函数。y = a x 2 + b x + c y = ax^2 + bx + c y = a x 2 + b x + c 的图像就是一条开口向上或向下的抛物线,本章给出了它的焦点和准线。
对照:第 30 章椭圆、第 31 章双曲线,三种曲线都是“由定义列方程、化简得标准方程”,抛物线只有一个焦点,标准方程里只有一个变量是平方,也没有常数项。
后续:32.4 焦点弦,焦半径公式就是本节定义的直接推论。
后续:第 33 章直线与圆锥曲线,联立的第一步是写对标准方程。
以 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x (p > 0 p > 0 p > 0 )为例:
性质
内容
范围
x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 ,y ∈ R y \in \mathbf{R} y ∈ R 。曲线在 y y y 轴右侧,向右上、右下无限延伸
对称性
关于 x x x 轴对称;没有对称中心
顶点
只有一个,原点 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 )
离心率
e = 1 e = 1 e = 1
开口大小
由 p p p 决定,p p p 越大开口越大
抛物线上的点 M M M 到焦点的距离与到准线的距离之比叫抛物线的离心率 。由定义这个比恒为 1,所以 e = 1 e = 1 e = 1 。
四种标准方程的性质对照:
方程
范围
对称轴
焦点
准线
y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x
x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0
x x x 轴
( p 2 , 0 ) \left(\dfrac{p}{2}, 0\right) ( 2 p , 0 )
x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p
y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x
x ≤ 0 x \le 0 x ≤ 0
x x x 轴
( − p 2 , 0 ) \left(-\dfrac{p}{2}, 0\right) ( − 2 p , 0 )
x = p 2 x = \dfrac{p}{2} x = 2 p
x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y
y ≥ 0 y \ge 0 y ≥ 0
y y y 轴
( 0 , p 2 ) \left(0, \dfrac{p}{2}\right) ( 0 , 2 p )
y = − p 2 y = -\dfrac{p}{2} y = − 2 p
x 2 = − 2 p y x^2 = -2py x 2 = − 2 p y
y ≤ 0 y \le 0 y ≤ 0
y y y 轴
( 0 , − p 2 ) \left(0, -\dfrac{p}{2}\right) ( 0 , − 2 p )
y = p 2 y = \dfrac{p}{2} y = 2 p
四种的顶点都是原点,离心率都是 1。
和椭圆、双曲线比,抛物线有三个“少”:只有一个焦点、一条准线;只有一个顶点、一条对称轴;没有对称中心,也没有渐近线(第 31 章的双曲线有)。
根据方程说出范围、对称轴、顶点、焦点、准线:题目给方程,要求写性质或判断图像。
利用对称性:题目里出现抛物线的“内接三角形”“关于对称轴对称的两点”,或两点到顶点的距离相等。
求抛物线上的点到定点的最小距离:把距离的平方写成横坐标的二次函数,在范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 内求最值。
实际问题:拱桥、隧道、探照灯、卫星天线的截面是抛物线,需要自己建坐标系求方程。
范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 是求最值时的定义域,二次函数的顶点落在范围外时,最值在 x = 0 x = 0 x = 0 处取得。
抛物线没有渐近线。它往远处越来越“平”,但不会贴近任何一条直线。不要把抛物线的一支和双曲线的一支混为一谈。
实际问题建系时,一般把顶点放在原点、对称轴放在 y y y 轴上,开口方向由实物决定(拱桥开口向下)。
“p p p 越大开口越大”是在同一种开口方向下比较。
范围 :由 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 得 x = y 2 2 p x = \dfrac{y^2}{2p} x = 2 p y 2 。因为 y 2 ≥ 0 y^2 \ge 0 y 2 ≥ 0 、p > 0 p > 0 p > 0 ,所以 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 。对任意实数 y y y 都能算出对应的 x x x ,所以 y y y 可以取任意实数。
对称性 :把方程里的 y y y 换成 − y -y − y ,得 ( − y ) 2 = 2 p x (-y)^2 = 2px ( − y ) 2 = 2 p x ,和原方程一样。所以点 ( x , y ) (x, y) ( x , y ) 在曲线上时,( x , − y ) (x, -y) ( x , − y ) 也在曲线上,曲线关于 x x x 轴对称。
把 x x x 换成 − x -x − x 得 y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x ,方程变了,所以不关于 y y y 轴对称;同时把 x x x 、y y y 换成 − x -x − x 、− y -y − y 也得到 y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x ,所以不关于原点对称。
顶点 :抛物线和对称轴(x x x 轴)的交点叫顶点。令 y = 0 y = 0 y = 0 ,得 x = 0 x = 0 x = 0 ,顶点是原点。
离心率 :由定义,抛物线上每一点到焦点的距离与到准线的距离之比都是 1,所以 e = 1 e = 1 e = 1 。
p p p 越大开口越大 :取同一个 x 0 > 0 x_0 > 0 x 0 > 0 ,曲线上对应点的纵坐标满足 ∣ y ∣ = 2 p x 0 |y| = \sqrt{2px_0} ∣ y ∣ = 2 p x 0 (关键一步 :固定横坐标后比较纵坐标,开口大小就变成了一个数的大小),它随 p p p 增大而增大。所以 p p p 越大,在同一位置曲线张得越开。
例 1 (场景:根据方程说出性质)写出抛物线 x 2 = − 12 y x^2 = -12y x 2 = − 12 y 的范围、对称轴、顶点、焦点、准线和离心率。
解 :对照 x 2 = − 2 p y x^2 = -2py x 2 = − 2 p y ,2 p = 12 2p = 12 2 p = 12 ,p = 6 p = 6 p = 6 。
范围:y ≤ 0 y \le 0 y ≤ 0 ,x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R 。
对称轴:y y y 轴。
顶点:( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) 。
焦点:( 0 , − 3 ) (0, -3) ( 0 , − 3 ) ;准线:y = 3 y = 3 y = 3 。
离心率:e = 1 e = 1 e = 1 。
例 2 (场景:利用对称性)正三角形 O A B OAB O A B 的顶点 O O O 是原点,A A A 、B B B 在抛物线 y 2 = 2 x y^2 = 2x y 2 = 2 x 上,求这个正三角形的边长。
解 :设 A ( x 1 , y 1 ) A(x_1, y_1) A ( x 1 , y 1 ) 、B ( x 2 , y 2 ) B(x_2, y_2) B ( x 2 , y 2 ) 。
先证 A A A 、B B B 关于 x x x 轴对称。∣ O A ∣ = ∣ O B ∣ |OA| = |OB| ∣ O A ∣ = ∣ O B ∣ ,且 y 1 2 = 2 x 1 y_1^2 = 2x_1 y 1 2 = 2 x 1 、y 2 2 = 2 x 2 y_2^2 = 2x_2 y 2 2 = 2 x 2 ,所以
x 1 2 + 2 x 1 = x 2 2 + 2 x 2 , x_1^2 + 2x_1 = x_2^2 + 2x_2, x 1 2 + 2 x 1 = x 2 2 + 2 x 2 ,
即 ( x 1 − x 2 ) ( x 1 + x 2 + 2 ) = 0 (x_1 - x_2)(x_1 + x_2 + 2) = 0 ( x 1 − x 2 ) ( x 1 + x 2 + 2 ) = 0 。因为 x 1 ≥ 0 x_1 \ge 0 x 1 ≥ 0 、x 2 ≥ 0 x_2 \ge 0 x 2 ≥ 0 ,所以 x 1 + x 2 + 2 > 0 x_1 + x_2 + 2 > 0 x 1 + x 2 + 2 > 0 ,只能 x 1 = x 2 x_1 = x_2 x 1 = x 2 ,从而 y 1 = − y 2 y_1 = -y_2 y 1 = − y 2 。A A A 、B B B 关于 x x x 轴对称。
设 A B AB A B 与 x x x 轴交于 D D D ,则 ∠ A O D = 30 ° \angle AOD = 30° ∠ A O D = 30° ,y 1 = x 1 tan 30 ° = x 1 3 y_1 = x_1 \tan 30° = \dfrac{x_1}{\sqrt{3}} y 1 = x 1 tan 30° = 3 x 1 (不妨设 y 1 > 0 y_1 > 0 y 1 > 0 )。代入 y 1 2 = 2 x 1 y_1^2 = 2x_1 y 1 2 = 2 x 1 :
x 1 2 3 = 2 x 1 , \frac{x_1^2}{3} = 2x_1, 3 x 1 2 = 2 x 1 ,
x 1 ≠ 0 x_1 \ne 0 x 1 = 0 ,得 x 1 = 6 x_1 = 6 x 1 = 6 ,y 1 = 2 3 y_1 = 2\sqrt{3} y 1 = 2 3 。边长 ∣ A B ∣ = 2 y 1 = 4 3 |AB| = 2y_1 = 4\sqrt{3} ∣ A B ∣ = 2 y 1 = 4 3 。
容易卡在:直接“由对称性”设 A A A 、B B B 关于 x x x 轴对称,却说不出理由。要用 ∣ O A ∣ = ∣ O B ∣ |OA| = |OB| ∣ O A ∣ = ∣ O B ∣ 加上范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 证一下。
例 3 (场景:求到定点的最小距离)P P P 是抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 上的动点,求 ∣ P A ∣ |PA| ∣ P A ∣ 的最小值:(1) A ( 3 , 0 ) A(3, 0) A ( 3 , 0 ) ;(2) A ( 1 2 , 0 ) A\left(\dfrac{1}{2}, 0\right) A ( 2 1 , 0 ) 。
解 :设 P ( x , y ) P(x, y) P ( x , y ) ,y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x ,x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 。
(1)
∣ P A ∣ 2 = ( x − 3 ) 2 + y 2 = ( x − 3 ) 2 + 4 x = x 2 − 2 x + 9 = ( x − 1 ) 2 + 8. |PA|^2 = (x - 3)^2 + y^2 = (x - 3)^2 + 4x = x^2 - 2x + 9 = (x - 1)^2 + 8. ∣ P A ∣ 2 = ( x − 3 ) 2 + y 2 = ( x − 3 ) 2 + 4 x = x 2 − 2 x + 9 = ( x − 1 ) 2 + 8.
x = 1 x = 1 x = 1 在范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 内,所以 x = 1 x = 1 x = 1 时 ∣ P A ∣ 2 |PA|^2 ∣ P A ∣ 2 最小为 8,∣ P A ∣ |PA| ∣ P A ∣ 的最小值是 2 2 2\sqrt{2} 2 2 ,此时 P ( 1 , ± 2 ) P(1, \pm 2) P ( 1 , ± 2 ) 。
(2)
∣ P A ∣ 2 = ( x − 1 2 ) 2 + 4 x = x 2 + 3 x + 1 4 . |PA|^2 = \left(x - \frac{1}{2}\right)^2 + 4x = x^2 + 3x + \frac{1}{4}. ∣ P A ∣ 2 = ( x − 2 1 ) 2 + 4 x = x 2 + 3 x + 4 1 .
对称轴 x = − 3 2 x = -\dfrac{3}{2} x = − 2 3 在范围外,在 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 上函数递增,所以 x = 0 x = 0 x = 0 时最小,∣ P A ∣ |PA| ∣ P A ∣ 的最小值是 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 ,此时 P P P 是顶点。
容易卡在:(2) 直接取二次函数的顶点 x = − 3 2 x = -\dfrac{3}{2} x = − 2 3 ,忘了抛物线上 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 。
另一种解法 :用本节常用推论里的结论。y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 中 p = 2 p = 2 p = 2 。(1) a = 3 > p a = 3 > p a = 3 > p ,最小值 2 p a − p 2 = 12 − 4 = 2 2 \sqrt{2pa - p^2} = \sqrt{12 - 4} = 2\sqrt{2} 2 p a − p 2 = 12 − 4 = 2 2 ;(2) a = 1 2 ≤ p a = \dfrac{1}{2} \le p a = 2 1 ≤ p ,最小值是 ∣ a ∣ = 1 2 |a| = \dfrac{1}{2} ∣ a ∣ = 2 1 。小题里直接套用最快;解答题要写出上面的配方过程。
例 4 (场景:实际问题)一座抛物线形拱桥,拱顶离水面 2 m 时,水面宽 4 m。水面下降 1 m 后,水面宽多少?
解 :以拱顶为原点、过拱顶的竖直线为 y y y 轴建立坐标系,拱桥开口向下,设方程为 x 2 = − 2 p y x^2 = -2py x 2 = − 2 p y (p > 0 p > 0 p > 0 )。
水面宽 4 m、离拱顶 2 m,所以点 ( 2 , − 2 ) (2, -2) ( 2 , − 2 ) 在抛物线上:4 = − 2 p ⋅ ( − 2 ) = 4 p 4 = -2p \cdot (-2) = 4p 4 = − 2 p ⋅ ( − 2 ) = 4 p ,p = 1 p = 1 p = 1 ,方程是 x 2 = − 2 y x^2 = -2y x 2 = − 2 y 。
水面下降 1 m 后,水面在 y = − 3 y = -3 y = − 3 处:x 2 = 6 x^2 = 6 x 2 = 6 ,x = ± 6 x = \pm\sqrt{6} x = ± 6 。水面宽 2 6 ≈ 4.90 2\sqrt{6} \approx 4.90 2 6 ≈ 4.90 m。
容易卡在:把原点放在水面上,方程就不是标准形式了。顶点放原点最省事。
y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 上的点中,离焦点最近的是顶点,最近距离是 p 2 \dfrac{p}{2} 2 p 。推导:∣ M F ∣ = x 0 + p 2 |MF| = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p (32.4 焦半径公式),x 0 ≥ 0 x_0 \ge 0 x 0 ≥ 0 ,x 0 = 0 x_0 = 0 x 0 = 0 时最小。
y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 上的点到 x x x 轴上定点 A ( a , 0 ) A(a, 0) A ( a , 0 ) 的最小距离:a ≤ p a \le p a ≤ p 时是 ∣ a ∣ |a| ∣ a ∣ (在顶点取得);a > p a > p a > p 时是 2 p a − p 2 \sqrt{2pa - p^2} 2 p a − p 2 (在 x = a − p x = a - p x = a − p 处取得)。推导:∣ P A ∣ 2 = ( x − a ) 2 + 2 p x = [ x − ( a − p ) ] 2 + 2 p a − p 2 |PA|^2 = (x - a)^2 + 2px = [x - (a - p)]^2 + 2pa - p^2 ∣ P A ∣ 2 = ( x − a ) 2 + 2 p x = [ x − ( a − p ) ] 2 + 2 p a − p 2 ,对称轴 x = a − p x = a - p x = a − p ,看它是否落在 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 内。
以原点为一个顶点、另两个顶点在 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 上的正三角形,边长是 4 3 p 4\sqrt{3}p 4 3 p 。推导同例 2:y 1 = x 1 3 y_1 = \dfrac{x_1}{\sqrt{3}} y 1 = 3 x 1 代入得 x 1 = 6 p x_1 = 6p x 1 = 6 p ,边长 2 y 1 = 12 p 3 = 4 3 p 2y_1 = \dfrac{12p}{\sqrt{3}} = 4\sqrt{3}p 2 y 1 = 3 12 p = 4 3 p 。
错在哪 :认为抛物线有渐近线,或者把抛物线和双曲线的一支看成一回事。
为什么错 :双曲线的一支往远处会贴近渐近线;抛物线 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 上 ∣ y ∣ = 2 p x |y| = \sqrt{2px} ∣ y ∣ = 2 p x ,增长越来越慢,不会贴近任何直线。两者离心率也不同(e = 1 e = 1 e = 1 和 e > 1 e > 1 e > 1 )。
正确做法 :记住抛物线只有一个焦点、一条准线、一个顶点、一条对称轴,没有中心,没有渐近线。
错在哪 :求 ∣ P A ∣ |PA| ∣ P A ∣ 的最小值,直接取二次函数的顶点。
为什么错 :P P P 在抛物线上,横坐标有范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 ,顶点可能不在范围里。
正确做法 :写成 x x x 的二次函数后,先标出定义域 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 ,再比较对称轴的位置。
错在哪 :认为 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 中 p p p 越大开口越小。
为什么错 :和二次函数 y = a x 2 y = ax^2 y = a x 2 混了:a a a 越大开口越小,而 y = a x 2 y = ax^2 y = a x 2 化成标准形式是 x 2 = 1 a y x^2 = \dfrac{1}{a}y x 2 = a 1 y ,2 p = 1 a 2p = \dfrac{1}{a} 2 p = a 1 ,a a a 越大 p p p 越小。
正确做法 :在标准方程里看 p p p :p p p 越大开口越大。
抛物线是“离心率恰好为 1”的圆锥曲线:到焦点的距离和到准线的距离之比小于 1 是椭圆(第 30 章),等于 1 是抛物线,大于 1 是双曲线(第 31 章)。抛物线夹在椭圆和双曲线中间。
光学性质 :从焦点发出的光线经抛物线反射后,都平行于对称轴射出;反过来,平行于对称轴射来的光线经反射后都汇聚到焦点。探照灯、汽车大灯、卫星天线、太阳灶都用这个性质,“焦点”这个名字也由此而来。严格证明要用到抛物线的切线(第 24 章导数的几何意义或第 33 章直线与圆锥曲线),这里只记结论。
p p p 是焦点到准线的距离,p p p 越大,焦点离顶点越远,碗口越宽。
前置:32.2 抛物线的定义和标准方程,性质都从标准方程读出。
前置:第 4 章二次函数,求到定点的最小距离就是求二次函数在区间上的最小值。
对照:第 30 章椭圆、第 31 章双曲线的几何性质(范围、对称性、顶点、离心率),抛物线是 e = 1 e = 1 e = 1 的情形。
后续:第 33 章直线与圆锥曲线,联立后用范围 x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 检验交点。
常一起考:第 10 章函数的应用,拱桥、隧道问题就是用抛物线建立函数模型。
以 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x (p > 0 p > 0 p > 0 )为例,焦点 F ( p 2 , 0 ) F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) F ( 2 p , 0 ) 。
焦半径 :抛物线上的点 M M M 与焦点 F F F 连成的线段叫焦半径。M ( x 0 , y 0 ) M(x_0, y_0) M ( x 0 , y 0 ) 的焦半径长
∣ M F ∣ = x 0 + p 2 . |MF| = x_0 + \frac{p}{2}. ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p .
四种标准方程的焦半径公式:
方程
焦半径 ∣ M F ∣ \lvert MF \rvert ∣ M F ∣
y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x
x 0 + p 2 x_0 + \dfrac{p}{2} x 0 + 2 p
y 2 = − 2 p x y^2 = -2px y 2 = − 2 p x
− x 0 + p 2 -x_0 + \dfrac{p}{2} − x 0 + 2 p
x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y
y 0 + p 2 y_0 + \dfrac{p}{2} y 0 + 2 p
x 2 = − 2 p y x^2 = -2py x 2 = − 2 p y
− y 0 + p 2 -y_0 + \dfrac{p}{2} − y 0 + 2 p
记法:看对称轴是哪条,就用那个坐标;结果一定是正数。
焦点弦 :过焦点的直线与抛物线交于 A ( x 1 , y 1 ) A(x_1, y_1) A ( x 1 , y 1 ) 、B ( x 2 , y 2 ) B(x_2, y_2) B ( x 2 , y 2 ) ,线段 A B AB A B 叫焦点弦。设直线 A B AB A B 的倾斜角为 θ \theta θ ,则
∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 2 p sin 2 θ , |AB| = x_1 + x_2 + p = \frac{2p}{\sin^2\theta}, ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = sin 2 θ 2 p ,
y 1 y 2 = − p 2 , x 1 x 2 = p 2 4 . y_1 y_2 = -p^2, \quad x_1 x_2 = \frac{p^2}{4}. y 1 y 2 = − p 2 , x 1 x 2 = 4 p 2 .
通径 :过焦点且垂直于对称轴的弦叫通径,长 2 p 2p 2 p 。它是所有焦点弦中最短的一条。
已知抛物线上一点到焦点的距离,求这点的坐标,或反过来:直接用焦半径公式,注意对称轴是哪条。
已知焦点弦两端点的横坐标之和(或中点的横坐标),求弦长;或已知弦长求斜率:用 ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p |AB| = x_1 + x_2 + p ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p 。
已知焦点弦的倾斜角或斜率,求弦长、三角形 A O B AOB A O B 的面积:联立后用韦达定理,或直接用 2 p sin 2 θ \dfrac{2p}{\sin^2\theta} sin 2 θ 2 p 。
题目给出 ∣ A F ∣ = λ ∣ B F ∣ |AF| = \lambda |BF| ∣ A F ∣ = λ ∣ B F ∣ 或 A F → = λ F B → \overrightarrow{AF} = \lambda \overrightarrow{FB} A F = λ F B :用 y 1 y 2 = − p 2 y_1 y_2 = -p^2 y 1 y 2 = − p 2 ,或用 1 ∣ A F ∣ + 1 ∣ B F ∣ = 2 p \dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p} ∣ A F ∣ 1 + ∣ B F ∣ 1 = p 2 。
焦点弦的中点到准线(或到 y y y 轴)的距离、以焦点弦为直径的圆:用梯形中位线和定义。
本节公式只对过焦点的弦 成立。不过焦点的弦,∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p |AB| = x_1 + x_2 + p ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p 不成立,要用第 33 章的弦长公式。
这些公式是对 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 写的。开口向上的 x 2 = 2 p y x^2 = 2py x 2 = 2 p y ,要把 x x x 、y y y 的角色互换:∣ A B ∣ = y 1 + y 2 + p |AB| = y_1 + y_2 + p ∣ A B ∣ = y 1 + y 2 + p ,x 1 x 2 = − p 2 x_1 x_2 = -p^2 x 1 x 2 = − p 2 ;倾斜角 θ \theta θ 是和 x x x 轴的夹角,而对称轴变成了 y y y 轴,弦长公式变成 ∣ A B ∣ = 2 p cos 2 θ |AB| = \dfrac{2p}{\cos^2\theta} ∣ A B ∣ = cos 2 θ 2 p 。
设过焦点的直线时,用 x = m y + p 2 x = my + \dfrac{p}{2} x = m y + 2 p 比用 y = k ( x − p 2 ) y = k\left(x - \dfrac{p}{2}\right) y = k ( x − 2 p ) 好:前者包含竖直的直线(m = 0 m = 0 m = 0 ,就是通径),不必单独讨论斜率不存在;水平直线 y = 0 y = 0 y = 0 与抛物线只交于一点,本来就不是弦。
小题可以直接用 2 p sin 2 θ \dfrac{2p}{\sin^2\theta} sin 2 θ 2 p 、y 1 y 2 = − p 2 y_1 y_2 = -p^2 y 1 y 2 = − p 2 等结论;解答题要写出联立和韦达定理的过程。
结论 1:焦半径公式 ∣ M F ∣ = x 0 + p 2 |MF| = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p 。
由定义,∣ M F ∣ |MF| ∣ M F ∣ 等于 M M M 到准线 x = − p 2 x = -\dfrac{p}{2} x = − 2 p 的距离,即 ∣ x 0 + p 2 ∣ \left|x_0 + \dfrac{p}{2}\right| x 0 + 2 p 。因为 x 0 ≥ 0 x_0 \ge 0 x 0 ≥ 0 ,绝对值里是正数,所以 ∣ M F ∣ = x 0 + p 2 |MF| = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p 。
结论 2:∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p |AB| = x_1 + x_2 + p ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p 。
∣ A B ∣ = ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ = ( x 1 + p 2 ) + ( x 2 + p 2 ) = x 1 + x 2 + p |AB| = |AF| + |BF| = \left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right) + \left(x_2 + \dfrac{p}{2}\right) = x_1 + x_2 + p ∣ A B ∣ = ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ = ( x 1 + 2 p ) + ( x 2 + 2 p ) = x 1 + x 2 + p 。
结论 3:y 1 y 2 = − p 2 y_1 y_2 = -p^2 y 1 y 2 = − p 2 ,x 1 x 2 = p 2 4 x_1 x_2 = \dfrac{p^2}{4} x 1 x 2 = 4 p 2 。
过焦点的直线不能是水平的,设为 x = m y + p 2 x = my + \dfrac{p}{2} x = m y + 2 p (关键一步 :这样设,竖直的直线 m = 0 m = 0 m = 0 也包含在内,不用分斜率存不存在两种情况),代入 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x :
y 2 = 2 p ( m y + p 2 ) , 即 y 2 − 2 p m y − p 2 = 0. y^2 = 2p\left(my + \frac{p}{2}\right), \quad \text{即} \quad y^2 - 2pmy - p^2 = 0. y 2 = 2 p ( m y + 2 p ) , 即 y 2 − 2 p m y − p 2 = 0.
判别式 4 p 2 m 2 + 4 p 2 > 0 4p^2m^2 + 4p^2 > 0 4 p 2 m 2 + 4 p 2 > 0 ,总有两个交点。由韦达定理:
y 1 + y 2 = 2 p m , y 1 y 2 = − p 2 . y_1 + y_2 = 2pm, \quad y_1 y_2 = -p^2. y 1 + y 2 = 2 p m , y 1 y 2 = − p 2 .
再由 x 1 = y 1 2 2 p x_1 = \dfrac{y_1^2}{2p} x 1 = 2 p y 1 2 、x 2 = y 2 2 2 p x_2 = \dfrac{y_2^2}{2p} x 2 = 2 p y 2 2 得 x 1 x 2 = ( y 1 y 2 ) 2 4 p 2 = p 2 4 x_1 x_2 = \dfrac{(y_1 y_2)^2}{4p^2} = \dfrac{p^2}{4} x 1 x 2 = 4 p 2 ( y 1 y 2 ) 2 = 4 p 2 。
结论 4:∣ A B ∣ = 2 p sin 2 θ |AB| = \dfrac{2p}{\sin^2\theta} ∣ A B ∣ = sin 2 θ 2 p ,通径最短。
由结论 3 的设法,x 1 + x 2 = m ( y 1 + y 2 ) + p = 2 p m 2 + p x_1 + x_2 = m(y_1 + y_2) + p = 2pm^2 + p x 1 + x 2 = m ( y 1 + y 2 ) + p = 2 p m 2 + p ,所以
∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 2 p ( m 2 + 1 ) . |AB| = x_1 + x_2 + p = 2p(m^2 + 1). ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 2 p ( m 2 + 1 ) .
直线 x = m y + p 2 x = my + \dfrac{p}{2} x = m y + 2 p 的倾斜角为 θ \theta θ 时,m = cos θ sin θ m = \dfrac{\cos\theta}{\sin\theta} m = sin θ cos θ (θ = 90 ° \theta = 90° θ = 90° 时 m = 0 m = 0 m = 0 ),于是 m 2 + 1 = cos 2 θ + sin 2 θ sin 2 θ = 1 sin 2 θ m^2 + 1 = \dfrac{\cos^2\theta + \sin^2\theta}{\sin^2\theta} = \dfrac{1}{\sin^2\theta} m 2 + 1 = sin 2 θ cos 2 θ + sin 2 θ = sin 2 θ 1 ,得 ∣ A B ∣ = 2 p sin 2 θ |AB| = \dfrac{2p}{\sin^2\theta} ∣ A B ∣ = sin 2 θ 2 p 。
sin 2 θ ≤ 1 \sin^2\theta \le 1 sin 2 θ ≤ 1 ,所以 ∣ A B ∣ ≥ 2 p |AB| \ge 2p ∣ A B ∣ ≥ 2 p ,θ = 90 ° \theta = 90° θ = 90° 时取等号,这条弦就是通径。
结论 5:∣ A F ∣ = p 1 − cos θ |AF| = \dfrac{p}{1 - \cos\theta} ∣ A F ∣ = 1 − cos θ p ,∣ B F ∣ = p 1 + cos θ |BF| = \dfrac{p}{1 + \cos\theta} ∣ B F ∣ = 1 + cos θ p ,1 ∣ A F ∣ + 1 ∣ B F ∣ = 2 p \dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p} ∣ A F ∣ 1 + ∣ B F ∣ 1 = p 2 。
这里 θ \theta θ 是射线 F A FA F A 与 x x x 轴正方向的夹角。A A A 的横坐标 x 1 = p 2 + ∣ A F ∣ cos θ x_1 = \dfrac{p}{2} + |AF|\cos\theta x 1 = 2 p + ∣ A F ∣ cos θ ,代入焦半径公式:
∣ A F ∣ = x 1 + p 2 = p + ∣ A F ∣ cos θ , |AF| = x_1 + \frac{p}{2} = p + |AF|\cos\theta, ∣ A F ∣ = x 1 + 2 p = p + ∣ A F ∣ cos θ ,
解得 ∣ A F ∣ = p 1 − cos θ |AF| = \dfrac{p}{1 - \cos\theta} ∣ A F ∣ = 1 − cos θ p 。射线 F B FB F B 的方向与 F A FA F A 相反,x 2 = p 2 − ∣ B F ∣ cos θ x_2 = \dfrac{p}{2} - |BF|\cos\theta x 2 = 2 p − ∣ B F ∣ cos θ ,同理得 ∣ B F ∣ = p 1 + cos θ |BF| = \dfrac{p}{1 + \cos\theta} ∣ B F ∣ = 1 + cos θ p 。两式取倒数相加:
1 ∣ A F ∣ + 1 ∣ B F ∣ = 1 − cos θ p + 1 + cos θ p = 2 p . \frac{1}{|AF|} + \frac{1}{|BF|} = \frac{1 - \cos\theta}{p} + \frac{1 + \cos\theta}{p} = \frac{2}{p}. ∣ A F ∣ 1 + ∣ B F ∣ 1 = p 1 − cos θ + p 1 + cos θ = p 2 .
结论 6:三角形 A O B AOB A O B 的面积 S = p 2 2 sin θ S = \dfrac{p^2}{2\sin\theta} S = 2 sin θ p 2 。
x x x 轴把三角形 A O B AOB A O B 分成三角形 A O F AOF A O F 和 B O F BOF B O F ,两者以 O F OF O F 为公共底,高分别是 ∣ y 1 ∣ |y_1| ∣ y 1 ∣ 、∣ y 2 ∣ |y_2| ∣ y 2 ∣ 。y 1 y 2 = − p 2 < 0 y_1 y_2 = -p^2 < 0 y 1 y 2 = − p 2 < 0 ,两者异号,高之和是 ∣ y 1 − y 2 ∣ |y_1 - y_2| ∣ y 1 − y 2 ∣ :
S = 1 2 ∣ O F ∣ ⋅ ∣ y 1 − y 2 ∣ , ( y 1 − y 2 ) 2 = ( y 1 + y 2 ) 2 − 4 y 1 y 2 = 4 p 2 ( m 2 + 1 ) . S = \frac{1}{2}|OF| \cdot |y_1 - y_2|, \quad (y_1 - y_2)^2 = (y_1 + y_2)^2 - 4y_1y_2 = 4p^2(m^2 + 1). S = 2 1 ∣ O F ∣ ⋅ ∣ y 1 − y 2 ∣ , ( y 1 − y 2 ) 2 = ( y 1 + y 2 ) 2 − 4 y 1 y 2 = 4 p 2 ( m 2 + 1 ) .
所以 S = 1 2 ⋅ p 2 ⋅ 2 p m 2 + 1 = p 2 2 m 2 + 1 = p 2 2 sin θ S = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{p}{2} \cdot 2p\sqrt{m^2 + 1} = \dfrac{p^2}{2}\sqrt{m^2 + 1} = \dfrac{p^2}{2\sin\theta} S = 2 1 ⋅ 2 p ⋅ 2 p m 2 + 1 = 2 p 2 m 2 + 1 = 2 sin θ p 2 。
结论 7:以焦点弦 A B AB A B 为直径的圆与准线相切。
设 A B AB A B 的中点为 M M M ,A A A 、B B B 、M M M 在准线上的射影为 A 1 A_1 A 1 、B 1 B_1 B 1 、M 1 M_1 M 1 。A A 1 B 1 B AA_1B_1B A A 1 B 1 B 是直角梯形,M M 1 MM_1 M M 1 是它的中位线:
∣ M M 1 ∣ = ∣ A A 1 ∣ + ∣ B B 1 ∣ 2 = ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ 2 = ∣ A B ∣ 2 . |MM_1| = \frac{|AA_1| + |BB_1|}{2} = \frac{|AF| + |BF|}{2} = \frac{|AB|}{2}. ∣ M M 1 ∣ = 2 ∣ A A 1 ∣ + ∣ B B 1 ∣ = 2 ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ = 2 ∣ A B ∣ .
(关键一步 :由定义把 ∣ A A 1 ∣ |AA_1| ∣ A A 1 ∣ 、∣ B B 1 ∣ |BB_1| ∣ B B 1 ∣ 换成 ∣ A F ∣ |AF| ∣ A F ∣ 、∣ B F ∣ |BF| ∣ B F ∣ 。)圆心 M M M 到准线的距离等于半径,所以相切。
例 1 (场景:已知到焦点的距离求坐标)抛物线 x 2 = 4 y x^2 = 4y x 2 = 4 y 上一点 P P P 到焦点的距离是 3,求 P P P 到 x x x 轴的距离和 P P P 的坐标。
解 :x 2 = 4 y x^2 = 4y x 2 = 4 y 中 2 p = 4 2p = 4 2 p = 4 ,p = 2 p = 2 p = 2 ,焦点 ( 0 , 1 ) (0, 1) ( 0 , 1 ) ,准线 y = − 1 y = -1 y = − 1 。对称轴是 y y y 轴,焦半径用纵坐标:
∣ P F ∣ = y 0 + p 2 = y 0 + 1 = 3 , |PF| = y_0 + \frac{p}{2} = y_0 + 1 = 3, ∣ P F ∣ = y 0 + 2 p = y 0 + 1 = 3 ,
y 0 = 2 y_0 = 2 y 0 = 2 ,P P P 到 x x x 轴的距离是 2。x 0 2 = 4 × 2 = 8 x_0^2 = 4 \times 2 = 8 x 0 2 = 4 × 2 = 8 ,x 0 = ± 2 2 x_0 = \pm 2\sqrt{2} x 0 = ± 2 2 ,P ( ± 2 2 , 2 ) P(\pm 2\sqrt{2}, 2) P ( ± 2 2 , 2 ) 。
容易卡在:照搬 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 的公式写成 x 0 + 1 = 3 x_0 + 1 = 3 x 0 + 1 = 3 。
例 2 (场景:由横坐标之和求弦长、求斜率)过抛物线 y 2 = 8 x y^2 = 8x y 2 = 8 x 的焦点 F F F 作直线交抛物线于 A A A 、B B B ,若线段 A B AB A B 的中点横坐标是 3,求 ∣ A B ∣ |AB| ∣ A B ∣ 和直线 A B AB A B 的斜率。
解 :2 p = 8 2p = 8 2 p = 8 ,p = 4 p = 4 p = 4 ,F ( 2 , 0 ) F(2, 0) F ( 2 , 0 ) 。中点横坐标是 3,所以 x 1 + x 2 = 6 x_1 + x_2 = 6 x 1 + x 2 = 6 ,
∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 6 + 4 = 10. |AB| = x_1 + x_2 + p = 6 + 4 = 10. ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 6 + 4 = 10.
求斜率:设直线 x = m y + 2 x = my + 2 x = m y + 2 ,代入 y 2 = 8 x y^2 = 8x y 2 = 8 x 得 y 2 − 8 m y − 16 = 0 y^2 - 8my - 16 = 0 y 2 − 8 m y − 16 = 0 ,y 1 + y 2 = 8 m y_1 + y_2 = 8m y 1 + y 2 = 8 m 。
x 1 + x 2 = m ( y 1 + y 2 ) + 4 = 8 m 2 + 4 = 6 , x_1 + x_2 = m(y_1 + y_2) + 4 = 8m^2 + 4 = 6, x 1 + x 2 = m ( y 1 + y 2 ) + 4 = 8 m 2 + 4 = 6 ,
m 2 = 1 4 m^2 = \dfrac{1}{4} m 2 = 4 1 ,m = ± 1 2 m = \pm\dfrac{1}{2} m = ± 2 1 。斜率 k = 1 m = ± 2 k = \dfrac{1}{m} = \pm 2 k = m 1 = ± 2 。
例 3 (场景:已知倾斜角求弦长和面积)过抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 的焦点 F F F 作倾斜角为 60 ° 60° 60° 的直线,交抛物线于 A A A 、B B B ,O O O 为原点。求 ∣ A B ∣ |AB| ∣ A B ∣ 和三角形 A O B AOB A O B 的面积。
解 :p = 2 p = 2 p = 2 ,F ( 1 , 0 ) F(1, 0) F ( 1 , 0 ) ,直线 y = 3 ( x − 1 ) y = \sqrt{3}(x - 1) y = 3 ( x − 1 ) 。代入 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x :
3 ( x − 1 ) 2 = 4 x , 即 3 x 2 − 10 x + 3 = 0. 3(x - 1)^2 = 4x, \quad \text{即} \quad 3x^2 - 10x + 3 = 0. 3 ( x − 1 ) 2 = 4 x , 即 3 x 2 − 10 x + 3 = 0.
x 1 + x 2 = 10 3 x_1 + x_2 = \dfrac{10}{3} x 1 + x 2 = 3 10 ,所以 ∣ A B ∣ = 10 3 + 2 = 16 3 |AB| = \dfrac{10}{3} + 2 = \dfrac{16}{3} ∣ A B ∣ = 3 10 + 2 = 3 16 。
求面积:解方程得 x = 3 x = 3 x = 3 或 x = 1 3 x = \dfrac{1}{3} x = 3 1 ,对应 y = 2 3 y = 2\sqrt{3} y = 2 3 或 y = − 2 3 3 y = -\dfrac{2\sqrt{3}}{3} y = − 3 2 3 。
S = 1 2 ∣ O F ∣ ⋅ ∣ y 1 − y 2 ∣ = 1 2 × 1 × ( 2 3 + 2 3 3 ) = 4 3 3 . S = \frac{1}{2}|OF| \cdot |y_1 - y_2| = \frac{1}{2} \times 1 \times \left(2\sqrt{3} + \frac{2\sqrt{3}}{3}\right) = \frac{4\sqrt{3}}{3}. S = 2 1 ∣ O F ∣ ⋅ ∣ y 1 − y 2 ∣ = 2 1 × 1 × ( 2 3 + 3 2 3 ) = 3 4 3 .
容易卡在:面积用 1 2 ∣ A B ∣ ⋅ d \dfrac{1}{2}|AB| \cdot d 2 1 ∣ A B ∣ ⋅ d (d d d 是 O O O 到 A B AB A B 的距离)也能算,但要多算一个点到直线的距离;以 O F OF O F 为底最省事。
另一种解法 :直接用结论 4 和结论 6。sin 60 ° = 3 2 \sin 60° = \dfrac{\sqrt{3}}{2} sin 60° = 2 3 ,sin 2 60 ° = 3 4 \sin^2 60° = \dfrac{3}{4} sin 2 60° = 4 3 :
∣ A B ∣ = 2 p sin 2 θ = 4 3 / 4 = 16 3 , S = p 2 2 sin θ = 4 3 = 4 3 3 . |AB| = \frac{2p}{\sin^2\theta} = \frac{4}{3/4} = \frac{16}{3}, \quad S = \frac{p^2}{2\sin\theta} = \frac{4}{\sqrt{3}} = \frac{4\sqrt{3}}{3}. ∣ A B ∣ = sin 2 θ 2 p = 3/4 4 = 3 16 , S = 2 sin θ p 2 = 3 4 = 3 4 3 .
选择题、填空题用公式,十秒出答案;解答题要写联立和韦达定理的过程,公式可以用来检验结果。
例 4 (场景:焦半径的比)过抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 的焦点 F F F 的直线交抛物线于 A A A 、B B B ,且 ∣ A F ∣ = 3 ∣ B F ∣ |AF| = 3|BF| ∣ A F ∣ = 3∣ B F ∣ ,求 ∣ A B ∣ |AB| ∣ A B ∣ 和直线 A B AB A B 的斜率。
解 :p = 2 p = 2 p = 2 ,F ( 1 , 0 ) F(1, 0) F ( 1 , 0 ) 。设直线 x = m y + 1 x = my + 1 x = m y + 1 ,代入得 y 2 − 4 m y − 4 = 0 y^2 - 4my - 4 = 0 y 2 − 4 m y − 4 = 0 ,
y 1 + y 2 = 4 m , y 1 y 2 = − 4. y_1 + y_2 = 4m, \quad y_1 y_2 = -4. y 1 + y 2 = 4 m , y 1 y 2 = − 4.
F F F 在 A A A 、B B B 之间,∣ A F ∣ = 3 ∣ B F ∣ |AF| = 3|BF| ∣ A F ∣ = 3∣ B F ∣ 即 A F → = 3 F B → \overrightarrow{AF} = 3\overrightarrow{FB} A F = 3 F B 。比较纵坐标:0 − y 1 = 3 ( y 2 − 0 ) 0 - y_1 = 3(y_2 - 0) 0 − y 1 = 3 ( y 2 − 0 ) ,y 1 = − 3 y 2 y_1 = -3y_2 y 1 = − 3 y 2 。
代入 y 1 y 2 = − 4 y_1 y_2 = -4 y 1 y 2 = − 4 :− 3 y 2 2 = − 4 -3y_2^2 = -4 − 3 y 2 2 = − 4 ,y 2 2 = 4 3 y_2^2 = \dfrac{4}{3} y 2 2 = 3 4 ,y 1 2 = 9 y 2 2 = 12 y_1^2 = 9y_2^2 = 12 y 1 2 = 9 y 2 2 = 12 。所以
x 1 = y 1 2 4 = 3 , x 2 = y 2 2 4 = 1 3 , ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + 2 = 16 3 . x_1 = \frac{y_1^2}{4} = 3, \quad x_2 = \frac{y_2^2}{4} = \frac{1}{3}, \quad |AB| = x_1 + x_2 + 2 = \frac{16}{3}. x 1 = 4 y 1 2 = 3 , x 2 = 4 y 2 2 = 3 1 , ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + 2 = 3 16 .
由 y 1 + y 2 = − 2 y 2 = 4 m y_1 + y_2 = -2y_2 = 4m y 1 + y 2 = − 2 y 2 = 4 m 得 m = − y 2 2 m = -\dfrac{y_2}{2} m = − 2 y 2 ,y 2 = ± 2 3 3 y_2 = \pm\dfrac{2\sqrt{3}}{3} y 2 = ± 3 2 3 ,m = ∓ 3 3 m = \mp\dfrac{\sqrt{3}}{3} m = ∓ 3 3 ,斜率 k = 1 m = ∓ 3 k = \dfrac{1}{m} = \mp\sqrt{3} k = m 1 = ∓ 3 。
所以 ∣ A B ∣ = 16 3 |AB| = \dfrac{16}{3} ∣ A B ∣ = 3 16 ,斜率是 3 \sqrt{3} 3 或 − 3 -\sqrt{3} − 3 。
容易卡在:只求出一个斜率。A A A 可以在 x x x 轴上方,也可以在下方,两种情况关于 x x x 轴对称。
另一种解法 :用结论 5。设 ∣ B F ∣ = t |BF| = t ∣ B F ∣ = t ,∣ A F ∣ = 3 t |AF| = 3t ∣ A F ∣ = 3 t :
1 3 t + 1 t = 2 p = 1 , \frac{1}{3t} + \frac{1}{t} = \frac{2}{p} = 1, 3 t 1 + t 1 = p 2 = 1 ,
t = 4 3 t = \dfrac{4}{3} t = 3 4 ,∣ A F ∣ = 4 |AF| = 4 ∣ A F ∣ = 4 ,∣ A B ∣ = 4 t = 16 3 |AB| = 4t = \dfrac{16}{3} ∣ A B ∣ = 4 t = 3 16 。由焦半径公式 x 1 + 1 = 4 x_1 + 1 = 4 x 1 + 1 = 4 ,x 1 = 3 x_1 = 3 x 1 = 3 ,y 1 = ± 2 3 y_1 = \pm 2\sqrt{3} y 1 = ± 2 3 ,斜率 k = y 1 − 0 x 1 − 1 = ± 3 k = \dfrac{y_1 - 0}{x_1 - 1} = \pm\sqrt{3} k = x 1 − 1 y 1 − 0 = ± 3 。这种做法不用设直线、不用联立,小题首选;解答题里比例以向量形式给出时,主解法的“比较纵坐标”更自然。
本题的直线与例 3 相同(倾斜角 60 ° 60° 60° 或 120 ° 120° 120° ),两题的弦长都是 16 3 \dfrac{16}{3} 3 16 ,可以互相验证。
例 5 (场景:焦点弦的中点和以焦点弦为直径的圆)过抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 的焦点的直线交抛物线于 A A A 、B B B ,∣ A B ∣ = 8 |AB| = 8 ∣ A B ∣ = 8 。(1) 求 A B AB A B 中点 M M M 到 y y y 轴的距离;(2) 判断以 A B AB A B 为直径的圆与直线 x = − 1 x = -1 x = − 1 的位置关系。
解 :p = 2 p = 2 p = 2 ,准线是 x = − 1 x = -1 x = − 1 。
(1) ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = x 1 + x 2 + 2 = 8 |AB| = x_1 + x_2 + p = x_1 + x_2 + 2 = 8 ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = x 1 + x 2 + 2 = 8 ,所以 x 1 + x 2 = 6 x_1 + x_2 = 6 x 1 + x 2 = 6 ,中点横坐标 x 1 + x 2 2 = 3 \dfrac{x_1 + x_2}{2} = 3 2 x 1 + x 2 = 3 。M M M 到 y y y 轴的距离是 3。
(2) 直线 x = − 1 x = -1 x = − 1 就是准线。圆心 M M M 到准线的距离是 3 − ( − 1 ) = 4 3 - (-1) = 4 3 − ( − 1 ) = 4 ,半径是 ∣ A B ∣ 2 = 4 \dfrac{|AB|}{2} = 4 2 ∣ A B ∣ = 4 ,两者相等,所以圆与直线 x = − 1 x = -1 x = − 1 相切。这正是结论 7。
容易卡在:(1) 把“到 y y y 轴的距离”和“到准线的距离”混为一谈,答成 4。两者差 p 2 = 1 \dfrac{p}{2} = 1 2 p = 1 。
以下都对 y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x (p > 0 p > 0 p > 0 )、过焦点 F F F 的弦 A B AB A B 成立,θ \theta θ 是直线 A B AB A B 的倾斜角:
焦半径 ∣ M F ∣ = x 0 + p 2 |MF| = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p 。推导见结论 1。
焦点弦长 ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = 2 p sin 2 θ |AB| = x_1 + x_2 + p = \dfrac{2p}{\sin^2\theta} ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p = sin 2 θ 2 p ;通径 2 p 2p 2 p 是最短的焦点弦。推导见结论 2、4。
y 1 y 2 = − p 2 y_1 y_2 = -p^2 y 1 y 2 = − p 2 ,x 1 x 2 = p 2 4 x_1 x_2 = \dfrac{p^2}{4} x 1 x 2 = 4 p 2 。推导见结论 3。由此 O A → ⋅ O B → = x 1 x 2 + y 1 y 2 = − 3 p 2 4 \overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = x_1x_2 + y_1y_2 = -\dfrac{3p^2}{4} O A ⋅ O B = x 1 x 2 + y 1 y 2 = − 4 3 p 2 ,是定值。
1 ∣ A F ∣ + 1 ∣ B F ∣ = 2 p \dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p} ∣ A F ∣ 1 + ∣ B F ∣ 1 = p 2 ,是与倾斜角无关的定值。推导见结论 5。
三角形 A O B AOB A O B 的面积 S = p 2 2 sin θ S = \dfrac{p^2}{2\sin\theta} S = 2 sin θ p 2 ,最小值 p 2 2 \dfrac{p^2}{2} 2 p 2 (通径时)。推导见结论 6。
以焦点弦为直径的圆与准线相切。推导见结论 7。
以焦半径 A F AF A F 为直径的圆与 y y y 轴相切。推导:圆心横坐标 1 2 ( x 1 + p 2 ) \dfrac{1}{2}\left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right) 2 1 ( x 1 + 2 p ) ,半径 ∣ A F ∣ 2 = 1 2 ( x 1 + p 2 ) \dfrac{|AF|}{2} = \dfrac{1}{2}\left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right) 2 ∣ A F ∣ = 2 1 ( x 1 + 2 p ) ,两者相等。
A A A 、B B B 在准线上的射影为 A 1 A_1 A 1 、B 1 B_1 B 1 ,则 ∠ A 1 F B 1 = 90 ° \angle A_1FB_1 = 90° ∠ A 1 F B 1 = 90° 。推导:设准线与 x x x 轴交于 K K K 。∣ A A 1 ∣ = ∣ A F ∣ |AA_1| = |AF| ∣ A A 1 ∣ = ∣ A F ∣ ,所以 ∠ A A 1 F = ∠ A F A 1 \angle AA_1F = \angle AFA_1 ∠ A A 1 F = ∠ A F A 1 ;A A 1 ∥ K F AA_1 \parallel KF A A 1 ∥ K F ,内错角 ∠ A A 1 F = ∠ A 1 F K \angle AA_1F = \angle A_1FK ∠ A A 1 F = ∠ A 1 F K 。于是 F A 1 FA_1 F A 1 平分 ∠ A F K \angle AFK ∠ A F K ,同理 F B 1 FB_1 F B 1 平分 ∠ B F K \angle BFK ∠ B F K 。A A A 、F F F 、B B B 共线,∠ A F K + ∠ B F K = 180 ° \angle AFK + \angle BFK = 180° ∠ A F K + ∠ B F K = 180° ,所以 ∠ A 1 F B 1 = 180 ° 2 = 90 ° \angle A_1FB_1 = \dfrac{180°}{2} = 90° ∠ A 1 F B 1 = 2 180° = 90° 。
错在哪 :任意一条弦都用 ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p |AB| = x_1 + x_2 + p ∣ A B ∣ = x 1 + x 2 + p 求长度。
为什么错 :这个公式来自 ∣ A B ∣ = ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ |AB| = |AF| + |BF| ∣ A B ∣ = ∣ A F ∣ + ∣ B F ∣ ,只有 A B AB A B 过焦点 F F F 时才成立。
正确做法 :先确认弦是否过焦点;不过焦点时用第 33 章的弦长公式 1 + k 2 ∣ x 1 − x 2 ∣ \sqrt{1 + k^2}|x_1 - x_2| 1 + k 2 ∣ x 1 − x 2 ∣ 。
错在哪 :x 2 = 4 y x^2 = 4y x 2 = 4 y 上的点的焦半径写成 x 0 + 1 x_0 + 1 x 0 + 1 。
为什么错 :x 2 = 4 y x^2 = 4y x 2 = 4 y 的对称轴是 y y y 轴,准线是 y = − 1 y = -1 y = − 1 ,到准线的距离由纵坐标决定。
正确做法 :焦半径公式里用“对称轴方向”的坐标:∣ P F ∣ = y 0 + 1 |PF| = y_0 + 1 ∣ P F ∣ = y 0 + 1 。
错在哪 :设过焦点的直线为 y = k ( x − 1 ) y = k(x - 1) y = k ( x − 1 ) ,没讨论斜率不存在的情况,结果漏掉通径。
为什么错 :竖直的直线 x = 1 x = 1 x = 1 没有斜率,不在 y = k ( x − 1 ) y = k(x - 1) y = k ( x − 1 ) 里。
正确做法 :设成 x = m y + p 2 x = my + \dfrac{p}{2} x = m y + 2 p ,或者先单独验证竖直的情况。
错在哪 :∣ A F ∣ = 3 ∣ B F ∣ |AF| = 3|BF| ∣ A F ∣ = 3∣ B F ∣ 类的题只求出一个斜率。
为什么错 :把 A A A 、B B B 关于 x x x 轴翻过去,比例不变,斜率变号。
正确做法 :解出 y 1 y_1 y 1 时保留正负两个值,斜率写成 ± \pm ± 。
焦半径公式就是“到焦点的距离等于到准线的距离”:y 2 = 2 p x y^2 = 2px y 2 = 2 p x 的准线是竖直线,点到它的距离只看横坐标,所以 ∣ M F ∣ = x 0 + p 2 |MF| = x_0 + \dfrac{p}{2} ∣ M F ∣ = x 0 + 2 p 。一句话记法:“焦半径 = 横坐标 + 半个 p p p ”。
焦点弦越“躺平”越长:倾斜角越接近 0,直线越接近对称轴,两个交点一个在顶点附近、一个跑到很远处,弦就越长;竖直时最短,就是通径 2 p 2p 2 p 。2 p sin 2 θ \dfrac{2p}{\sin^2\theta} sin 2 θ 2 p 正好描述了这一点。
1 ∣ A F ∣ + 1 ∣ B F ∣ = 2 p \dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p} ∣ A F ∣ 1 + ∣ B F ∣ 1 = p 2 像一个“跷跷板”:∣ A F ∣ |AF| ∣ A F ∣ 变长,∣ B F ∣ |BF| ∣ B F ∣ 就变短,两者的倒数之和不变。通径时两边相等,都是 p p p 。
前置:32.2 抛物线的定义,焦半径公式就是定义换成坐标。
前置:第 28 章直线的方程,倾斜角和斜率的关系 k = tan θ k = \tan\theta k = tan θ ;设成 x = m y + b x = my + b x = m y + b 时 m = 1 k m = \dfrac{1}{k} m = k 1 。
前置:第 11 章同角三角函数的基本关系,1 + cos 2 θ sin 2 θ = 1 sin 2 θ 1 + \dfrac{\cos^2\theta}{\sin^2\theta} = \dfrac{1}{\sin^2\theta} 1 + sin 2 θ cos 2 θ = sin 2 θ 1 由 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 \sin^2\theta + \cos^2\theta = 1 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 得到。
后续:第 33 章直线与圆锥曲线,焦点弦是“联立、韦达定理、弦长”的特例,本节结论可以用来检验第 33 章的一般方法。
常一起考:第 15 章平面向量的数量积,O A → ⋅ O B → \overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} O A ⋅ O B 为定值、A F → = λ F B → \overrightarrow{AF} = \lambda\overrightarrow{FB} A F = λ F B 这类条件。
本章三个知识点是一条线:定义(32.2)给出“到焦点的距离 = 到准线的距离”,由它推出标准方程;从标准方程读出几何性质(32.3);再把定义写成坐标,就是焦半径公式,焦点弦的所有结论都从焦半径公式和“设 x = m y + p 2 x = my + \dfrac{p}{2} x = m y + 2 p 联立”两步推出来(32.4)。
所以整章真正要记住的只有一件事:到焦点的距离和到准线的距离可以互换 。最值题(32.2 例 5)、焦半径题(32.4 例 1)、焦点弦中点题(32.4 例 5)都是这一步。
和第 30、31 章对照:椭圆和双曲线有两个焦点,定义用“距离之和”“距离之差”,标准方程有 a a a 、b b b 、c c c 三个量;抛物线只有一个焦点,标准方程只有一个参数 p p p ,离心率固定为 1。考试里,抛物线的小题多考定义转化和焦点弦公式,解答题则和第 33 章一样,走“设直线、联立、韦达定理”的套路。
求抛物线 y = − 1 8 x 2 y = -\dfrac{1}{8}x^2 y = − 8 1 x 2 的焦点坐标和准线方程。
顶点在原点、焦点在 x x x 轴上的抛物线经过点 ( − 3 , m ) (-3, m) ( − 3 , m ) ,且该点到焦点的距离为 5,求抛物线的标准方程。
点 P P P 在抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 上,求 P P P 到直线 4 x − 3 y + 6 = 0 4x - 3y + 6 = 0 4 x − 3 y + 6 = 0 的距离与 P P P 到 y y y 轴的距离之和的最小值。
求抛物线 y 2 = 8 x y^2 = 8x y 2 = 8 x 上的点到点 A ( 6 , 0 ) A(6, 0) A ( 6 , 0 ) 的最小距离。
过抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 焦点的直线交抛物线于 A ( x 1 , y 1 ) A(x_1, y_1) A ( x 1 , y 1 ) 、B ( x 2 , y 2 ) B(x_2, y_2) B ( x 2 , y 2 ) ,若 x 1 + x 2 = 5 x_1 + x_2 = 5 x 1 + x 2 = 5 ,求 ∣ A B ∣ |AB| ∣ A B ∣ 。
过抛物线 y 2 = 4 x y^2 = 4x y 2 = 4 x 的焦点作倾斜角为 45 ° 45° 45° 的直线,求它被抛物线截得的弦长。
过抛物线 x 2 = 4 y x^2 = 4y x 2 = 4 y 焦点的直线交抛物线于 A ( x 1 , y 1 ) A(x_1, y_1) A ( x 1 , y 1 ) 、B ( x 2 , y 2 ) B(x_2, y_2) B ( x 2 , y 2 ) ,求 x 1 x 2 x_1 x_2 x 1 x 2 。
答案 :1. 焦点 ( 0 , − 2 ) (0, -2) ( 0 , − 2 ) ,准线 y = 2 y = 2 y = 2 ;2. y 2 = − 8 x y^2 = -8x y 2 = − 8 x ;3. 1;4. 4 2 4\sqrt{2} 4 2 ;5. 7;6. 8;7. − 4 -4 − 4 。