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第 32 章 · 抛物线

项目 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 pp 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=ax2y = ax^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=1e = 1;pp 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 ∣MF∣=x0+p2\lvert MF \rvert = x_0 + \dfrac{p}{2},焦点弦长 x1+x2+px_1 + x_2 + p,y1y2=−p2y_1 y_2 = -p^2,通径 2p2p 常考,小题的高频考点

定义:平面内与一个定点 FF 和一条定直线 ll(FF 不在 ll 上)距离相等的点的轨迹叫抛物线。定点 FF 叫抛物线的焦点,定直线 ll 叫抛物线的准线。

用式子写:点 MM 在抛物线上,等价于 ∣MF∣=d|MF| = d,其中 dd 是 MM 到准线 ll 的距离。

抛物线上任取一点 M,它到焦点 F 的距离等于它到准线 l 的距离 MN

焦准距 pp:焦点到准线的距离记作 pp(p>0p > 0)。抛物线的形状完全由 pp 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
y2=2pxy^2 = 2px 向右 (p2,0)\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) x=−p2x = -\dfrac{p}{2}
y2=−2pxy^2 = -2px 向左 (−p2,0)\left(-\dfrac{p}{2}, 0\right) x=p2x = \dfrac{p}{2}
x2=2pyx^2 = 2py 向上 (0,p2)\left(0, \dfrac{p}{2}\right) y=−p2y = -\dfrac{p}{2}
x2=−2pyx^2 = -2py 向下 (0,−p2)\left(0, -\dfrac{p}{2}\right) y=p2y = \dfrac{p}{2}

表里的 pp 都大于 0。

y² = 2px:开口向右,焦点在 x 轴正半轴,准线在 y 轴左侧

y² = -2px:开口向左,焦点在 x 轴负半轴,准线在 y 轴右侧

x² = 2py:开口向上,焦点在 y 轴正半轴,准线在 x 轴下方

x² = -2py:开口向下,焦点在 y 轴负半轴,准线在 x 轴上方

怎么认:

  • 一次项是谁,对称轴就是谁:一次项是 xx(y2=±2pxy^2 = \pm 2px),对称轴是 xx 轴;一次项是 yy,对称轴是 yy 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 14\dfrac{1}{4}:y2=2pxy^2 = 2px 的一次项系数是 2p2p,焦点横坐标是 2p4=p2\dfrac{2p}{4} = \dfrac{p}{2}。准线和焦点关于原点对称。

求抛物线标准方程的步骤:先看开口方向和对称轴知道多少,再决定设哪种形式

  • 已知方程求焦点和准线:题目给出 y2=−6xy^2 = -6x、y=4x2y = 4x^2 这类方程,先化成标准形式,再读出 pp。
  • 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 pp: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 ∣PA∣+∣PF∣|PA| + |PF|,FF 是焦点,把 ∣PF∣|PF| 换成 PP 到准线的距离。
  • 标准方程里的 pp 一定大于 0,它是焦点到准线的距离。y2=−6xy^2 = -6x 的 pp 是 3,不是 −3-3。
  • y=ax2y = ax^2 不是标准形式,要先化成 x2=1ayx^2 = \dfrac{1}{a}y。这是最常见的丢分点。
  • 定义要求 FF 不在 ll 上。如果 FF 在 ll 上,到 FF 和到 ll 距离相等的点是过 FF 且垂直于 ll 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(p2,0)F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) 为焦点、x=−p2x = -\dfrac{p}{2} 为准线的抛物线,方程是 y2=2pxy^2 = 2px。

建系的方法:过焦点 FF 作准线 ll 的垂线,垂足为 KK,以 KFKF 的中点为原点、KFKF 所在直线为 xx 轴建立坐标系。∣KF∣=p|KF| = p,所以 F(p2,0)F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right),准线是 x=−p2x = -\dfrac{p}{2}。

设 M(x,y)M(x, y) 是抛物线上任意一点,MM 到准线的距离 d=∣x+p2∣d = \left|x + \dfrac{p}{2}\right|。由定义 ∣MF∣=d|MF| = d:

(x−p2)2+y2=∣x+p2∣.\sqrt{\left(x - \frac{p}{2}\right)^2 + y^2} = \left|x + \frac{p}{2}\right|.

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):

x2−px+p24+y2=x2+px+p24,x^2 - px + \frac{p^2}{4} + y^2 = x^2 + px + \frac{p^2}{4},

化简得

y2=2px.y^2 = 2px.

反过来,满足 y2=2pxy^2 = 2px 的点倒推回去也满足 ∣MF∣=d|MF| = 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 xx 轴负半轴得 y2=−2pxy^2 = -2px;焦点放在 yy 轴上,把上面推导里的 xx、yy 互换,得 x2=±2pyx^2 = \pm 2py。

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) y2=−6xy^2 = -6x;(2) y=4x2y = 4x^2。

解:

(1) 对照 y2=−2pxy^2 = -2px,2p=62p = 6,p=3p = 3。开口向左,焦点 (−32,0)\left(-\dfrac{3}{2}, 0\right),准线 x=32x = \dfrac{3}{2}。

(2) 先化成标准形式:x2=14yx^2 = \dfrac{1}{4}y。对照 x2=2pyx^2 = 2py,2p=142p = \dfrac{1}{4},p=18p = \dfrac{1}{8}。开口向上,焦点 (0,116)\left(0, \dfrac{1}{16}\right),准线 y=−116y = -\dfrac{1}{16}。

容易卡在:(2) 不化标准形式,直接把 4 当成”2p2p“,得到焦点 (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−2y−4=0x - 2y - 4 = 0 上;(2) 经过点 (−2,4)(-2, 4)。

解:

(1) 焦点在坐标轴上,又在直线 x−2y−4=0x - 2y - 4 = 0 上,所以焦点是这条直线与坐标轴的交点。

  • 令 y=0y = 0,得 x=4x = 4,焦点 (4,0)(4, 0):p2=4\dfrac{p}{2} = 4,p=8p = 8,方程 y2=16xy^2 = 16x。
  • 令 x=0x = 0,得 y=−2y = -2,焦点 (0,−2)(0, -2):p2=2\dfrac{p}{2} = 2,p=4p = 4,开口向下,方程 x2=−8yx^2 = -8y。

所以方程是 y2=16xy^2 = 16x 或 x2=−8yx^2 = -8y。

(2) 点 (−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 y2=−2pxy^2 = -2px:16=−2p⋅(−2)=4p16 = -2p \cdot (-2) = 4p,p=4p = 4,方程 y2=−8xy^2 = -8x。
  • 开口向上,设 x2=2pyx^2 = 2py:4=2p⋅4=8p4 = 2p \cdot 4 = 8p,p=12p = \dfrac{1}{2},方程 x2=yx^2 = y。

所以方程是 y2=−8xy^2 = -8x 或 x2=yx^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 y2=mxy^2 = mx 和 x2=nyx^2 = ny(m,n≠0m, n \ne 0)。代入 (−2,4)(-2, 4):16=−2m16 = -2m,m=−8m = -8;4=4n4 = 4n,n=1n = 1。得 y2=−8xy^2 = -8x 或 x2=yx^2 = y。mm、nn 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 pp 更快。

例 3 (场景:求动点的轨迹)动点 MM 到点 F(3,0)F(3, 0) 的距离比它到直线 x+4=0x + 4 = 0 的距离小 1,求 MM 的轨迹方程。

解:设 M(x,y)M(x, y)。先看 MM 在直线 x=−4x = -4 的哪一侧。

  • 若 x<−4x < -4,MM 到 FF 的距离至少是 3−x3 - x,而到直线 x=−4x = -4 的距离是 −4−x-4 - x,前者比后者大 7,不可能“小 1”。
  • 所以 MM 在直线 x=−4x = -4 右侧,MM 到 x=−4x = -4 的距离是 x+4x + 4,条件变成 ∣MF∣=x+4−1=x+3|MF| = x + 4 - 1 = x + 3。

x+3x + 3 正好是 MM 到直线 x=−3x = -3 的距离。于是 MM 到点 F(3,0)F(3, 0) 的距离等于到直线 x=−3x = -3 的距离,MM 的轨迹是以 FF 为焦点、x=−3x = -3 为准线的抛物线。

p2=3\dfrac{p}{2} = 3,p=6p = 6,轨迹方程是 y2=12xy^2 = 12x。

把直线 x = -4 向右平移 1 个单位得到 x = -3,“距离小 1”就变成“距离相等”

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 y2=2pxy^2 = 2px(p>0p > 0)上一点 M(4,m)M(4, m) 到焦点的距离是 5,求 pp 和 mm。

解:准线是 x=−p2x = -\dfrac{p}{2}。由定义,MM 到焦点的距离等于 MM 到准线的距离:

4+p2=5,4 + \frac{p}{2} = 5,

得 p=2p = 2,抛物线是 y2=4xy^2 = 4x。MM 在抛物线上,m2=4×4=16m^2 = 4 \times 4 = 16,m=±4m = \pm 4。

例 5 (场景:距离和的最值)已知点 A(3,2)A(3, 2),FF 是抛物线 y2=4xy^2 = 4x 的焦点,点 PP 在抛物线上移动。求 ∣PA∣+∣PF∣|PA| + |PF| 的最小值,以及取最小值时 PP 的坐标。

解:p=2p = 2,焦点 F(1,0)F(1, 0),准线 x=−1x = -1。

先确认 AA 在抛物线“里面”(含焦点的一侧):把 y=2y = 2 代入,抛物线上的点横坐标是 1,而 AA 的横坐标 3 大于 1,所以 AA 在里面。

作 PN⊥PN \perp 准线,垂足为 NN。由定义 ∣PF∣=∣PN∣|PF| = |PN|,所以

∣PA∣+∣PF∣=∣PA∣+∣PN∣.|PA| + |PF| = |PA| + |PN|.

∣PA∣+∣PN∣|PA| + |PN| 是从 AA 到 PP 再到准线的折线长。AA 到准线的所有折线中,最短的是从 AA 直接向准线作的垂线段,长 3−(−1)=43 - (-1) = 4。当 PP 恰好在这条垂线段上时取到,此时 PP 的纵坐标是 2,横坐标 224=1\dfrac{2^2}{4} = 1。

所以最小值是 4,此时 P(1,2)P(1, 2)。

把 PF 换成 PN 后,A、P、N 在同一条水平线上时折线最短;另取一点 Q,折线明显更长

容易卡在:直接对 ∣PA∣+∣PF∣|PA| + |PF| 用“两点之间线段最短”,可 AA 和 FF 在抛物线同一侧,线段 AFAF 不经过抛物线。必须先把 ∣PF∣|PF| 换掉。

  • y=ax2y = ax^2(a≠0a \ne 0)的焦点是 (0,14a)\left(0, \dfrac{1}{4a}\right),准线是 y=−14ay = -\dfrac{1}{4a}。推导:化成 x2=1ayx^2 = \dfrac{1}{a}y,焦点纵坐标是一次项系数的 14\dfrac{1}{4}。aa 的正负自动决定开口。
  • 同理,y2=mxy^2 = mx(m≠0m \ne 0)的焦点是 (m4,0)\left(\dfrac{m}{4}, 0\right),准线是 x=−m4x = -\dfrac{m}{4};x2=nyx^2 = ny(n≠0n \ne 0)的焦点是 (0,n4)\left(0, \dfrac{n}{4}\right),准线是 y=−n4y = -\dfrac{n}{4}。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 ∣PF∣|PF| 时换成到准线的距离(例 4),求到准线或到 yy 轴的距离时换成 ∣PF∣|PF|(自测第 3 题)。到 yy 轴的距离 =∣PF∣−p2= |PF| - \dfrac{p}{2}(对 y2=2pxy^2 = 2px)。
  • 动圆过定点 FF 又与定直线 ll 相切(FF 不在 ll 上),圆心的轨迹是以 FF 为焦点、ll 为准线的抛物线。推导:圆心到 FF 的距离和到 ll 的距离都等于半径。
  • 错在哪:y=4x2y = 4x^2 的焦点写成 (1,0)(1, 0) 或 (0,1)(0, 1)。 为什么错:y=4x2y = 4x^2 不是标准形式,4 不是”2p2p“,对称轴也不是 xx 轴。 正确做法:先化成 x2=14yx^2 = \dfrac{1}{4}y,读出 2p=142p = \dfrac{1}{4},焦点 (0,116)\left(0, \dfrac{1}{16}\right)。
  • 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 xx 轴方向的抛物线上,也在某条开口朝 yy 轴方向的抛物线上。 正确做法:题目没说对称轴是哪条时,y2=mxy^2 = mx 和 x2=nyx^2 = ny 两种都设。
  • 错在哪:认为 y2=−6xy^2 = -6x 的 p=−3p = -3,焦点是 (32,0)\left(\dfrac{3}{2}, 0\right)。 为什么错:pp 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:y2=−2pxy^2 = -2px 对应 2p=62p = 6,p=3p = 3,开口向左,焦点 (−32,0)\left(-\dfrac{3}{2}, 0\right)。或者直接用推论:焦点横坐标是 −64\dfrac{-6}{4}。

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=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + 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 y2=2pxy^2 = 2px(p>0p > 0)为例:

性质 内容
范围 x≥0x \ge 0,y∈Ry \in \mathbf{R}。曲线在 yy 轴右侧,向右上、右下无限延伸
对称性 关于 xx 轴对称;没有对称中心
顶点 只有一个,原点 (0,0)(0, 0)
离心率 e=1e = 1
开口大小 由 pp 决定,pp 越大开口越大

抛物线上的点 MM 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=1e = 1。

四种标准方程的性质对照:

方程 范围 对称轴 焦点 准线
y2=2pxy^2 = 2px x≥0x \ge 0 xx 轴 (p2,0)\left(\dfrac{p}{2}, 0\right) x=−p2x = -\dfrac{p}{2}
y2=−2pxy^2 = -2px x≤0x \le 0 xx 轴 (−p2,0)\left(-\dfrac{p}{2}, 0\right) x=p2x = \dfrac{p}{2}
x2=2pyx^2 = 2py y≥0y \ge 0 yy 轴 (0,p2)\left(0, \dfrac{p}{2}\right) y=−p2y = -\dfrac{p}{2}
x2=−2pyx^2 = -2py y≤0y \le 0 yy 轴 (0,−p2)\left(0, -\dfrac{p}{2}\right) y=p2y = \dfrac{p}{2}

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)。

同一个 x,p 越大 |y| 越大,开口越大

  • 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≥0x \ge 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≥0x \ge 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=0x = 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 yy 轴上,开口方向由实物决定(拱桥开口向下)。
  • “pp 越大开口越大”是在同一种开口方向下比较。

范围:由 y2=2pxy^2 = 2px 得 x=y22px = \dfrac{y^2}{2p}。因为 y2≥0y^2 \ge 0、p>0p > 0,所以 x≥0x \ge 0。对任意实数 yy 都能算出对应的 xx,所以 yy 可以取任意实数。

对称性:把方程里的 yy 换成 −y-y,得 (−y)2=2px(-y)^2 = 2px,和原方程一样。所以点 (x,y)(x, y) 在曲线上时,(x,−y)(x, -y) 也在曲线上,曲线关于 xx 轴对称。

把 xx 换成 −x-x 得 y2=−2pxy^2 = -2px,方程变了,所以不关于 yy 轴对称;同时把 xx、yy 换成 −x-x、−y-y 也得到 y2=−2pxy^2 = -2px,所以不关于原点对称。

顶点:抛物线和对称轴(xx 轴)的交点叫顶点。令 y=0y = 0,得 x=0x = 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=1e = 1。

pp 越大开口越大:取同一个 x0>0x_0 > 0,曲线上对应点的纵坐标满足 ∣y∣=2px0|y| = \sqrt{2px_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 pp 增大而增大。所以 pp 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 x2=−12yx^2 = -12y 的范围、对称轴、顶点、焦点、准线和离心率。

解:对照 x2=−2pyx^2 = -2py,2p=122p = 12,p=6p = 6。

  • 范围:y≤0y \le 0,x∈Rx \in \mathbf{R}。
  • 对称轴:yy 轴。
  • 顶点:(0,0)(0, 0)。
  • 焦点:(0,−3)(0, -3);准线:y=3y = 3。
  • 离心率:e=1e = 1。

例 2 (场景:利用对称性)正三角形 OABOAB 的顶点 OO 是原点,AA、BB 在抛物线 y2=2xy^2 = 2x 上,求这个正三角形的边长。

解:设 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2)。

先证 AA、BB 关于 xx 轴对称。∣OA∣=∣OB∣|OA| = |OB|,且 y12=2x1y_1^2 = 2x_1、y22=2x2y_2^2 = 2x_2,所以

x12+2x1=x22+2x2,x_1^2 + 2x_1 = x_2^2 + 2x_2,

即 (x1−x2)(x1+x2+2)=0(x_1 - x_2)(x_1 + x_2 + 2) = 0。因为 x1≥0x_1 \ge 0、x2≥0x_2 \ge 0,所以 x1+x2+2>0x_1 + x_2 + 2 > 0,只能 x1=x2x_1 = x_2,从而 y1=−y2y_1 = -y_2。AA、BB 关于 xx 轴对称。

设 ABAB 与 xx 轴交于 DD,则 ∠AOD=30°\angle AOD = 30°,y1=x1tan⁡30°=x13y_1 = x_1 \tan 30° = \dfrac{x_1}{\sqrt{3}}(不妨设 y1>0y_1 > 0)。代入 y12=2x1y_1^2 = 2x_1:

x123=2x1,\frac{x_1^2}{3} = 2x_1,

x1≠0x_1 \ne 0,得 x1=6x_1 = 6,y1=23y_1 = 2\sqrt{3}。边长 ∣AB∣=2y1=43|AB| = 2y_1 = 4\sqrt{3}。

A、B 关于 x 轴对称,OA 与 x 轴的夹角是 30°

容易卡在:直接“由对称性”设 AA、BB 关于 xx 轴对称,却说不出理由。要用 ∣OA∣=∣OB∣|OA| = |OB| 加上范围 x≥0x \ge 0 证一下。

例 3 (场景:求到定点的最小距离)PP 是抛物线 y2=4xy^2 = 4x 上的动点,求 ∣PA∣|PA| 的最小值:(1) A(3,0)A(3, 0);(2) A(12,0)A\left(\dfrac{1}{2}, 0\right)。

解:设 P(x,y)P(x, y),y2=4xy^2 = 4x,x≥0x \ge 0。

(1)

∣PA∣2=(x−3)2+y2=(x−3)2+4x=x2−2x+9=(x−1)2+8.|PA|^2 = (x - 3)^2 + y^2 = (x - 3)^2 + 4x = x^2 - 2x + 9 = (x - 1)^2 + 8.

x=1x = 1 在范围 x≥0x \ge 0 内,所以 x=1x = 1 时 ∣PA∣2|PA|^2 最小为 8,∣PA∣|PA| 的最小值是 222\sqrt{2},此时 P(1,±2)P(1, \pm 2)。

(2)

∣PA∣2=(x−12)2+4x=x2+3x+14.|PA|^2 = \left(x - \frac{1}{2}\right)^2 + 4x = x^2 + 3x + \frac{1}{4}.

对称轴 x=−32x = -\dfrac{3}{2} 在范围外,在 x≥0x \ge 0 上函数递增,所以 x=0x = 0 时最小,∣PA∣|PA| 的最小值是 12\dfrac{1}{2},此时 PP 是顶点。

以 A 为圆心的圆逐渐变大,第一次碰到抛物线时碰到的点 P1、P2 就是最近点

容易卡在:(2) 直接取二次函数的顶点 x=−32x = -\dfrac{3}{2},忘了抛物线上 x≥0x \ge 0。

另一种解法:用本节常用推论里的结论。y2=4xy^2 = 4x 中 p=2p = 2。(1) a=3>pa = 3 > p,最小值 2pa−p2=12−4=22\sqrt{2pa - p^2} = \sqrt{12 - 4} = 2\sqrt{2};(2) a=12≤pa = \dfrac{1}{2} \le p,最小值是 ∣a∣=12|a| = \dfrac{1}{2}。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 yy 轴建立坐标系,拱桥开口向下,设方程为 x2=−2pyx^2 = -2py(p>0p > 0)。

水面宽 4 m、离拱顶 2 m,所以点 (2,−2)(2, -2) 在抛物线上:4=−2p⋅(−2)=4p4 = -2p \cdot (-2) = 4p,p=1p = 1,方程是 x2=−2yx^2 = -2y。

水面下降 1 m 后,水面在 y=−3y = -3 处:x2=6x^2 = 6,x=±6x = \pm\sqrt{6}。水面宽 26≈4.902\sqrt{6} \approx 4.90 m。

拱桥截面 x² = -2y:原水面在 y = -2,宽 4 m;下降 1 m 后在 y = -3,宽 2√6 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。

  • y2=2pxy^2 = 2px 上的点中,离焦点最近的是顶点,最近距离是 p2\dfrac{p}{2}。推导:∣MF∣=x0+p2|MF| = x_0 + \dfrac{p}{2}(32.4 焦半径公式),x0≥0x_0 \ge 0,x0=0x_0 = 0 时最小。
  • y2=2pxy^2 = 2px 上的点到 xx 轴上定点 A(a,0)A(a, 0) 的最小距离:a≤pa \le p 时是 ∣a∣|a|(在顶点取得);a>pa > p 时是 2pa−p2\sqrt{2pa - p^2}(在 x=a−px = a - p 处取得)。推导:∣PA∣2=(x−a)2+2px=[x−(a−p)]2+2pa−p2|PA|^2 = (x - a)^2 + 2px = [x - (a - p)]^2 + 2pa - p^2,对称轴 x=a−px = a - p,看它是否落在 x≥0x \ge 0 内。
  • 以原点为一个顶点、另两个顶点在 y2=2pxy^2 = 2px 上的正三角形,边长是 43p4\sqrt{3}p。推导同例 2:y1=x13y_1 = \dfrac{x_1}{\sqrt{3}} 代入得 x1=6px_1 = 6p,边长 2y1=12p3=43p2y_1 = \dfrac{12p}{\sqrt{3}} = 4\sqrt{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 y2=2pxy^2 = 2px 上 ∣y∣=2px|y| = \sqrt{2px},增长越来越慢,不会贴近任何直线。两者离心率也不同(e=1e = 1 和 e>1e > 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 ∣PA∣|PA| 的最小值,直接取二次函数的顶点。 为什么错:PP 在抛物线上,横坐标有范围 x≥0x \ge 0,顶点可能不在范围里。 正确做法:写成 xx 的二次函数后,先标出定义域 x≥0x \ge 0,再比较对称轴的位置。
  • 错在哪:认为 y2=2pxy^2 = 2px 中 pp 越大开口越小。 为什么错:和二次函数 y=ax2y = ax^2 混了:aa 越大开口越小,而 y=ax2y = ax^2 化成标准形式是 x2=1ayx^2 = \dfrac{1}{a}y,2p=1a2p = \dfrac{1}{a},aa 越大 pp 越小。 正确做法:在标准方程里看 pp:pp 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。
  • pp 是焦点到准线的距离,pp 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=1e = 1 的情形。
  • 后续:第 33 章直线与圆锥曲线,联立后用范围 x≥0x \ge 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 y2=2pxy^2 = 2px(p>0p > 0)为例,焦点 F(p2,0)F\left(\dfrac{p}{2}, 0\right)。

焦半径:抛物线上的点 MM 与焦点 FF 连成的线段叫焦半径。M(x0,y0)M(x_0, y_0) 的焦半径长

∣MF∣=x0+p2.|MF| = x_0 + \frac{p}{2}.

四种标准方程的焦半径公式:

方程 焦半径 ∣MF∣\lvert MF \rvert
y2=2pxy^2 = 2px x0+p2x_0 + \dfrac{p}{2}
y2=−2pxy^2 = -2px −x0+p2-x_0 + \dfrac{p}{2}
x2=2pyx^2 = 2py y0+p2y_0 + \dfrac{p}{2}
x2=−2pyx^2 = -2py −y0+p2-y_0 + \dfrac{p}{2}

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(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2),线段 ABAB 叫焦点弦。设直线 ABAB 的倾斜角为 θ\theta,则

∣AB∣=x1+x2+p=2psin⁡2θ,|AB| = x_1 + x_2 + p = \frac{2p}{\sin^2\theta}, y1y2=−p2,x1x2=p24.y_1 y_2 = -p^2, \quad x_1 x_2 = \frac{p^2}{4}.

通径:过焦点且垂直于对称轴的弦叫通径,长 2p2p。它是所有焦点弦中最短的一条。

通径的两个端点是 (p/2, p) 和 (p/2, -p),长 2p;端点到准线的距离都是 p

焦点弦 AB 的倾斜角是 θ,A、B 到准线的垂线段 AA1、BB1 分别等于 AF、BF

焦点弦的常用公式按题目给的条件选

  • 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 ∣AB∣=x1+x2+p|AB| = x_1 + x_2 + p。
  • 已知焦点弦的倾斜角或斜率,求弦长、三角形 AOBAOB 的面积:联立后用韦达定理,或直接用 2psin⁡2θ\dfrac{2p}{\sin^2\theta}。
  • 题目给出 ∣AF∣=λ∣BF∣|AF| = \lambda |BF| 或 AF→=λFB→\overrightarrow{AF} = \lambda \overrightarrow{FB}:用 y1y2=−p2y_1 y_2 = -p^2,或用 1∣AF∣+1∣BF∣=2p\dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p}。
  • 焦点弦的中点到准线(或到 yy 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,∣AB∣=x1+x2+p|AB| = x_1 + x_2 + p 不成立,要用第 33 章的弦长公式。
  • 这些公式是对 y2=2pxy^2 = 2px 写的。开口向上的 x2=2pyx^2 = 2py,要把 xx、yy 的角色互换:∣AB∣=y1+y2+p|AB| = y_1 + y_2 + p,x1x2=−p2x_1 x_2 = -p^2;倾斜角 θ\theta 是和 xx 轴的夹角,而对称轴变成了 yy 轴,弦长公式变成 ∣AB∣=2pcos⁡2θ|AB| = \dfrac{2p}{\cos^2\theta}。
  • 设过焦点的直线时,用 x=my+p2x = my + \dfrac{p}{2} 比用 y=k(x−p2)y = k\left(x - \dfrac{p}{2}\right) 好:前者包含竖直的直线(m=0m = 0,就是通径),不必单独讨论斜率不存在;水平直线 y=0y = 0 与抛物线只交于一点,本来就不是弦。
  • 小题可以直接用 2psin⁡2θ\dfrac{2p}{\sin^2\theta}、y1y2=−p2y_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 ∣MF∣=x0+p2|MF| = x_0 + \dfrac{p}{2}。

由定义,∣MF∣|MF| 等于 MM 到准线 x=−p2x = -\dfrac{p}{2} 的距离,即 ∣x0+p2∣\left|x_0 + \dfrac{p}{2}\right|。因为 x0≥0x_0 \ge 0,绝对值里是正数,所以 ∣MF∣=x0+p2|MF| = x_0 + \dfrac{p}{2}。

结论 2:∣AB∣=x1+x2+p|AB| = x_1 + x_2 + p。

∣AB∣=∣AF∣+∣BF∣=(x1+p2)+(x2+p2)=x1+x2+p|AB| = |AF| + |BF| = \left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right) + \left(x_2 + \dfrac{p}{2}\right) = x_1 + x_2 + p。

结论 3:y1y2=−p2y_1 y_2 = -p^2,x1x2=p24x_1 x_2 = \dfrac{p^2}{4}。

过焦点的直线不能是水平的,设为 x=my+p2x = my + \dfrac{p}{2}(关键一步:这样设,竖直的直线 m=0m = 0 也包含在内,不用分斜率存不存在两种情况),代入 y2=2pxy^2 = 2px:

y2=2p(my+p2),即y2−2pmy−p2=0.y^2 = 2p\left(my + \frac{p}{2}\right), \quad \text{即} \quad y^2 - 2pmy - p^2 = 0.

判别式 4p2m2+4p2>04p^2m^2 + 4p^2 > 0,总有两个交点。由韦达定理:

y1+y2=2pm,y1y2=−p2.y_1 + y_2 = 2pm, \quad y_1 y_2 = -p^2.

再由 x1=y122px_1 = \dfrac{y_1^2}{2p}、x2=y222px_2 = \dfrac{y_2^2}{2p} 得 x1x2=(y1y2)24p2=p24x_1 x_2 = \dfrac{(y_1 y_2)^2}{4p^2} = \dfrac{p^2}{4}。

结论 4:∣AB∣=2psin⁡2θ|AB| = \dfrac{2p}{\sin^2\theta},通径最短。

由结论 3 的设法,x1+x2=m(y1+y2)+p=2pm2+px_1 + x_2 = m(y_1 + y_2) + p = 2pm^2 + p,所以

∣AB∣=x1+x2+p=2p(m2+1).|AB| = x_1 + x_2 + p = 2p(m^2 + 1).

直线 x=my+p2x = my + \dfrac{p}{2} 的倾斜角为 θ\theta 时,m=cos⁡θsin⁡θm = \dfrac{\cos\theta}{\sin\theta}(θ=90°\theta = 90° 时 m=0m = 0),于是 m2+1=cos⁡2θ+sin⁡2θsin⁡2θ=1sin⁡2θm^2 + 1 = \dfrac{\cos^2\theta + \sin^2\theta}{\sin^2\theta} = \dfrac{1}{\sin^2\theta},得 ∣AB∣=2psin⁡2θ|AB| = \dfrac{2p}{\sin^2\theta}。

sin⁡2θ≤1\sin^2\theta \le 1,所以 ∣AB∣≥2p|AB| \ge 2p,θ=90°\theta = 90° 时取等号,这条弦就是通径。

结论 5:∣AF∣=p1−cos⁡θ|AF| = \dfrac{p}{1 - \cos\theta},∣BF∣=p1+cos⁡θ|BF| = \dfrac{p}{1 + \cos\theta},1∣AF∣+1∣BF∣=2p\dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p}。

这里 θ\theta 是射线 FAFA 与 xx 轴正方向的夹角。AA 的横坐标 x1=p2+∣AF∣cos⁡θx_1 = \dfrac{p}{2} + |AF|\cos\theta,代入焦半径公式:

∣AF∣=x1+p2=p+∣AF∣cos⁡θ,|AF| = x_1 + \frac{p}{2} = p + |AF|\cos\theta,

解得 ∣AF∣=p1−cos⁡θ|AF| = \dfrac{p}{1 - \cos\theta}。射线 FBFB 的方向与 FAFA 相反,x2=p2−∣BF∣cos⁡θx_2 = \dfrac{p}{2} - |BF|\cos\theta,同理得 ∣BF∣=p1+cos⁡θ|BF| = \dfrac{p}{1 + \cos\theta}。两式取倒数相加:

1∣AF∣+1∣BF∣=1−cos⁡θp+1+cos⁡θp=2p.\frac{1}{|AF|} + \frac{1}{|BF|} = \frac{1 - \cos\theta}{p} + \frac{1 + \cos\theta}{p} = \frac{2}{p}.

结论 6:三角形 AOBAOB 的面积 S=p22sin⁡θS = \dfrac{p^2}{2\sin\theta}。

xx 轴把三角形 AOBAOB 分成三角形 AOFAOF 和 BOFBOF,两者以 OFOF 为公共底,高分别是 ∣y1∣|y_1|、∣y2∣|y_2|。y1y2=−p2<0y_1 y_2 = -p^2 < 0,两者异号,高之和是 ∣y1−y2∣|y_1 - y_2|:

S=12∣OF∣⋅∣y1−y2∣,(y1−y2)2=(y1+y2)2−4y1y2=4p2(m2+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).

所以 S=12⋅p2⋅2pm2+1=p22m2+1=p22sin⁡θS = \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}。

结论 7:以焦点弦 ABAB 为直径的圆与准线相切。

设 ABAB 的中点为 MM,AA、BB、MM 在准线上的射影为 A1A_1、B1B_1、M1M_1。AA1B1BAA_1B_1B 是直角梯形,MM1MM_1 是它的中位线:

∣MM1∣=∣AA1∣+∣BB1∣2=∣AF∣+∣BF∣2=∣AB∣2.|MM_1| = \frac{|AA_1| + |BB_1|}{2} = \frac{|AF| + |BF|}{2} = \frac{|AB|}{2}.

(关键一步:由定义把 ∣AA1∣|AA_1|、∣BB1∣|BB_1| 换成 ∣AF∣|AF|、∣BF∣|BF|。)圆心 MM 到准线的距离等于半径,所以相切。

圆心 M 到准线的距离 MM1 等于 AB 的一半,圆与准线相切于 M1

例 1 (场景:已知到焦点的距离求坐标)抛物线 x2=4yx^2 = 4y 上一点 PP 到焦点的距离是 3,求 PP 到 xx 轴的距离和 PP 的坐标。

解:x2=4yx^2 = 4y 中 2p=42p = 4,p=2p = 2,焦点 (0,1)(0, 1),准线 y=−1y = -1。对称轴是 yy 轴,焦半径用纵坐标:

∣PF∣=y0+p2=y0+1=3,|PF| = y_0 + \frac{p}{2} = y_0 + 1 = 3,

y0=2y_0 = 2,PP 到 xx 轴的距离是 2。x02=4×2=8x_0^2 = 4 \times 2 = 8,x0=±22x_0 = \pm 2\sqrt{2},P(±22,2)P(\pm 2\sqrt{2}, 2)。

容易卡在:照搬 y2=2pxy^2 = 2px 的公式写成 x0+1=3x_0 + 1 = 3。

例 2 (场景:由横坐标之和求弦长、求斜率)过抛物线 y2=8xy^2 = 8x 的焦点 FF 作直线交抛物线于 AA、BB,若线段 ABAB 的中点横坐标是 3,求 ∣AB∣|AB| 和直线 ABAB 的斜率。

解:2p=82p = 8,p=4p = 4,F(2,0)F(2, 0)。中点横坐标是 3,所以 x1+x2=6x_1 + x_2 = 6,

∣AB∣=x1+x2+p=6+4=10.|AB| = x_1 + x_2 + p = 6 + 4 = 10.

求斜率:设直线 x=my+2x = my + 2,代入 y2=8xy^2 = 8x 得 y2−8my−16=0y^2 - 8my - 16 = 0,y1+y2=8my_1 + y_2 = 8m。

x1+x2=m(y1+y2)+4=8m2+4=6,x_1 + x_2 = m(y_1 + y_2) + 4 = 8m^2 + 4 = 6,

m2=14m^2 = \dfrac{1}{4},m=±12m = \pm\dfrac{1}{2}。斜率 k=1m=±2k = \dfrac{1}{m} = \pm 2。

例 3 (场景:已知倾斜角求弦长和面积)过抛物线 y2=4xy^2 = 4x 的焦点 FF 作倾斜角为 60°60° 的直线,交抛物线于 AA、BB,OO 为原点。求 ∣AB∣|AB| 和三角形 AOBAOB 的面积。

解:p=2p = 2,F(1,0)F(1, 0),直线 y=3(x−1)y = \sqrt{3}(x - 1)。代入 y2=4xy^2 = 4x:

3(x−1)2=4x,即3x2−10x+3=0.3(x - 1)^2 = 4x, \quad \text{即} \quad 3x^2 - 10x + 3 = 0.

x1+x2=103x_1 + x_2 = \dfrac{10}{3},所以 ∣AB∣=103+2=163|AB| = \dfrac{10}{3} + 2 = \dfrac{16}{3}。

求面积:解方程得 x=3x = 3 或 x=13x = \dfrac{1}{3},对应 y=23y = 2\sqrt{3} 或 y=−233y = -\dfrac{2\sqrt{3}}{3}。

S=12∣OF∣⋅∣y1−y2∣=12×1×(23+233)=433.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}.

容易卡在:面积用 12∣AB∣⋅d\dfrac{1}{2}|AB| \cdot d(dd 是 OO 到 ABAB 的距离)也能算,但要多算一个点到直线的距离;以 OFOF 为底最省事。

另一种解法:直接用结论 4 和结论 6。sin⁡60°=32\sin 60° = \dfrac{\sqrt{3}}{2},sin⁡260°=34\sin^2 60° = \dfrac{3}{4}:

∣AB∣=2psin⁡2θ=43/4=163,S=p22sin⁡θ=43=433.|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}.

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 y2=4xy^2 = 4x 的焦点 FF 的直线交抛物线于 AA、BB,且 ∣AF∣=3∣BF∣|AF| = 3|BF|,求 ∣AB∣|AB| 和直线 ABAB 的斜率。

解:p=2p = 2,F(1,0)F(1, 0)。设直线 x=my+1x = my + 1,代入得 y2−4my−4=0y^2 - 4my - 4 = 0,

y1+y2=4m,y1y2=−4.y_1 + y_2 = 4m, \quad y_1 y_2 = -4.

FF 在 AA、BB 之间,∣AF∣=3∣BF∣|AF| = 3|BF| 即 AF→=3FB→\overrightarrow{AF} = 3\overrightarrow{FB}。比较纵坐标:0−y1=3(y2−0)0 - y_1 = 3(y_2 - 0),y1=−3y2y_1 = -3y_2。

代入 y1y2=−4y_1 y_2 = -4:−3y22=−4-3y_2^2 = -4,y22=43y_2^2 = \dfrac{4}{3},y12=9y22=12y_1^2 = 9y_2^2 = 12。所以

x1=y124=3,x2=y224=13,∣AB∣=x1+x2+2=163.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}.

由 y1+y2=−2y2=4my_1 + y_2 = -2y_2 = 4m 得 m=−y22m = -\dfrac{y_2}{2},y2=±233y_2 = \pm\dfrac{2\sqrt{3}}{3},m=∓33m = \mp\dfrac{\sqrt{3}}{3},斜率 k=1m=∓3k = \dfrac{1}{m} = \mp\sqrt{3}。

所以 ∣AB∣=163|AB| = \dfrac{16}{3},斜率是 3\sqrt{3} 或 −3-\sqrt{3}。

容易卡在:只求出一个斜率。AA 可以在 xx 轴上方,也可以在下方,两种情况关于 xx 轴对称。

另一种解法:用结论 5。设 ∣BF∣=t|BF| = t,∣AF∣=3t|AF| = 3t:

13t+1t=2p=1,\frac{1}{3t} + \frac{1}{t} = \frac{2}{p} = 1,

t=43t = \dfrac{4}{3},∣AF∣=4|AF| = 4,∣AB∣=4t=163|AB| = 4t = \dfrac{16}{3}。由焦半径公式 x1+1=4x_1 + 1 = 4,x1=3x_1 = 3,y1=±23y_1 = \pm 2\sqrt{3},斜率 k=y1−0x1−1=±3k = \dfrac{y_1 - 0}{x_1 - 1} = \pm\sqrt{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° 或 120°120°),两题的弦长都是 163\dfrac{16}{3},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 y2=4xy^2 = 4x 的焦点的直线交抛物线于 AA、BB,∣AB∣=8|AB| = 8。(1) 求 ABAB 中点 MM 到 yy 轴的距离;(2) 判断以 ABAB 为直径的圆与直线 x=−1x = -1 的位置关系。

解:p=2p = 2,准线是 x=−1x = -1。

(1) ∣AB∣=x1+x2+p=x1+x2+2=8|AB| = x_1 + x_2 + p = x_1 + x_2 + 2 = 8,所以 x1+x2=6x_1 + x_2 = 6,中点横坐标 x1+x22=3\dfrac{x_1 + x_2}{2} = 3。MM 到 yy 轴的距离是 3。

(2) 直线 x=−1x = -1 就是准线。圆心 MM 到准线的距离是 3−(−1)=43 - (-1) = 4,半径是 ∣AB∣2=4\dfrac{|AB|}{2} = 4,两者相等,所以圆与直线 x=−1x = -1 相切。这正是结论 7。

容易卡在:(1) 把“到 yy 轴的距离”和“到准线的距离”混为一谈,答成 4。两者差 p2=1\dfrac{p}{2} = 1。

以下都对 y2=2pxy^2 = 2px(p>0p > 0)、过焦点 FF 的弦 ABAB 成立,θ\theta 是直线 ABAB 的倾斜角:

  • 焦半径 ∣MF∣=x0+p2|MF| = x_0 + \dfrac{p}{2}。推导见结论 1。
  • 焦点弦长 ∣AB∣=x1+x2+p=2psin⁡2θ|AB| = x_1 + x_2 + p = \dfrac{2p}{\sin^2\theta};通径 2p2p 是最短的焦点弦。推导见结论 2、4。
  • y1y2=−p2y_1 y_2 = -p^2,x1x2=p24x_1 x_2 = \dfrac{p^2}{4}。推导见结论 3。由此 OA→⋅OB→=x1x2+y1y2=−3p24\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = x_1x_2 + y_1y_2 = -\dfrac{3p^2}{4},是定值。
  • 1∣AF∣+1∣BF∣=2p\dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p},是与倾斜角无关的定值。推导见结论 5。
  • 三角形 AOBAOB 的面积 S=p22sin⁡θS = \dfrac{p^2}{2\sin\theta},最小值 p22\dfrac{p^2}{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 AFAF 为直径的圆与 yy 轴相切。推导:圆心横坐标 12(x1+p2)\dfrac{1}{2}\left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right),半径 ∣AF∣2=12(x1+p2)\dfrac{|AF|}{2} = \dfrac{1}{2}\left(x_1 + \dfrac{p}{2}\right),两者相等。
  • AA、BB 在准线上的射影为 A1A_1、B1B_1,则 ∠A1FB1=90°\angle A_1FB_1 = 90°。推导:设准线与 xx 轴交于 KK。∣AA1∣=∣AF∣|AA_1| = |AF|,所以 ∠AA1F=∠AFA1\angle AA_1F = \angle AFA_1;AA1∥KFAA_1 \parallel KF,内错角 ∠AA1F=∠A1FK\angle AA_1F = \angle A_1FK。于是 FA1FA_1 平分 ∠AFK\angle AFK,同理 FB1FB_1 平分 ∠BFK\angle BFK。AA、FF、BB 共线,∠AFK+∠BFK=180°\angle AFK + \angle BFK = 180°,所以 ∠A1FB1=180°2=90°\angle A_1FB_1 = \dfrac{180°}{2} = 90°。
  • 错在哪:任意一条弦都用 ∣AB∣=x1+x2+p|AB| = x_1 + x_2 + p 求长度。 为什么错:这个公式来自 ∣AB∣=∣AF∣+∣BF∣|AB| = |AF| + |BF|,只有 ABAB 过焦点 FF 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+k2∣x1−x2∣\sqrt{1 + k^2}|x_1 - x_2|。
  • 错在哪:x2=4yx^2 = 4y 上的点的焦半径写成 x0+1x_0 + 1。 为什么错:x2=4yx^2 = 4y 的对称轴是 yy 轴,准线是 y=−1y = -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:∣PF∣=y0+1|PF| = y_0 + 1。
  • 错在哪:设过焦点的直线为 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=1x = 1 没有斜率,不在 y=k(x−1)y = k(x - 1) 里。 正确做法:设成 x=my+p2x = my + \dfrac{p}{2},或者先单独验证竖直的情况。
  • 错在哪:∣AF∣=3∣BF∣|AF| = 3|BF| 类的题只求出一个斜率。 为什么错:把 AA、BB 关于 xx 轴翻过去,比例不变,斜率变号。 正确做法:解出 y1y_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”:y2=2pxy^2 = 2px 的准线是竖直线,点到它的距离只看横坐标,所以 ∣MF∣=x0+p2|MF| = x_0 + \dfrac{p}{2}。一句话记法:“焦半径 = 横坐标 + 半个 pp”。
  • 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 2p2p。2psin⁡2θ\dfrac{2p}{\sin^2\theta} 正好描述了这一点。
  • 1∣AF∣+1∣BF∣=2p\dfrac{1}{|AF|} + \dfrac{1}{|BF|} = \dfrac{2}{p} 像一个“跷跷板”:∣AF∣|AF| 变长,∣BF∣|BF| 就变短,两者的倒数之和不变。通径时两边相等,都是 pp。
  • 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⁡θk = \tan\theta;设成 x=my+bx = my + b 时 m=1km = \dfrac{1}{k}。
  • 前置:第 11 章同角三角函数的基本关系,1+cos⁡2θsin⁡2θ=1sin⁡2θ1 + \dfrac{\cos^2\theta}{\sin^2\theta} = \dfrac{1}{\sin^2\theta} 由 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 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,OA→⋅OB→\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} 为定值、AF→=λFB→\overrightarrow{AF} = \lambda\overrightarrow{FB} 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=my+p2x = my + \dfrac{p}{2} 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。

抛物线各知识点和前后章节的关系

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 aa、bb、cc 三个量;抛物线只有一个焦点,标准方程只有一个参数 pp,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。

  1. 求抛物线 y=−18x2y = -\dfrac{1}{8}x^2 的焦点坐标和准线方程。
  2. 顶点在原点、焦点在 xx 轴上的抛物线经过点 (−3,m)(-3, m),且该点到焦点的距离为 5,求抛物线的标准方程。
  3. 点 PP 在抛物线 y2=4xy^2 = 4x 上,求 PP 到直线 4x−3y+6=04x - 3y + 6 = 0 的距离与 PP 到 yy 轴的距离之和的最小值。
  4. 求抛物线 y2=8xy^2 = 8x 上的点到点 A(6,0)A(6, 0) 的最小距离。
  5. 过抛物线 y2=4xy^2 = 4x 焦点的直线交抛物线于 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2),若 x1+x2=5x_1 + x_2 = 5,求 ∣AB∣|AB|。
  6. 过抛物线 y2=4xy^2 = 4x 的焦点作倾斜角为 45°45° 的直线,求它被抛物线截得的弦长。
  7. 过抛物线 x2=4yx^2 = 4y 焦点的直线交抛物线于 A(x1,y1)A(x_1, y_1)、B(x2,y2)B(x_2, y_2),求 x1x2x_1 x_2。

答案:1. 焦点 (0,−2)(0, -2),准线 y=2y = 2;2. y2=−8xy^2 = -8x;3. 1;4. 424\sqrt{2};5. 7;6. 8;7. −4-4。

  • 国家中小学智慧教育平台:教育部主办,选择性必修第一册“圆锥曲线的方程”一章有同步课程视频和教材电子版,可以对照课本里抛物线的推导和例题。
  • GeoGebra 图形计算器:输入 y^2 = 2p x 并给 p 加滑动条,拖动看开口大小怎么变;再画一条过焦点的直线,观察焦点弦长随倾斜角的变化。
  • Wolfram MathWorld · Parabola:抛物线的英文条目,含焦点、准线、通径(latus rectum)等术语和反射性质,查英文说法时用。
  • 维基百科 · 抛物线:抛物线的定义、标准方程、几何性质和光学性质的中文条目,附反射性质的示意图。