前言
交軌法,是解析幾何中求動點軌跡方程的常用方法之一。其使用步驟大致是:首先選擇適當的參數表示兩動曲線的方程,將兩動曲線方程中的參數消去,然后得到不含參數的方程,此方程即為兩動曲線交點的軌跡方程,這種求軌跡方程的方法叫做交軌法[交點軌跡法]。
交軌法也可以說是參數法,但是參數法不一定是交軌法。
典例剖析
法1:參數方程法,首先聯立兩個方程,得到\(\left\{\begin{array}{l}{x-my-1=0①}\\{mx+y-1=0②}\end{array}\right.\)
給②式乘以\(m\),消\(y\)得到,\(x=\cfrac{m+1}{m^2+1}\),代入②式得到\(y=\cfrac{1-m}{m^2+1}\)
即交點軌跡的參數方程為
或者說我們就可以用參數方法來回答這個問題。
不過我們還是繼續完成接下來的任務,重點和難點是消參。
\(\left\{\begin{array}{l}{x=\cfrac{m+1}{m^2+1}①}\\{y=\cfrac{1-m}{m^2+1}②}\end{array}\right.\quad (m為參數)\),如何消參,
給①^2+②^2,得到\(x^2+y^2=\cfrac{(m+1)^2}{(m^2+1)^2}+\cfrac{(1-m)^2}{(m^2+1)^2}=\cfrac{2}{m^2+1}\),
又\(x+y=\cfrac{2}{m^2+1}\),故\(x^2+y^2-x-y=0\)。
又當\(x=0\)且\(y=0\)時,\(m\)不存在,
故所求的軌跡方程為\(x^2+y^2-x-y=0(x\neq0且y\neq 0)\)。
法2:交軌法,將兩個方程分別變形為\(my=x-1\)和\(mx=1-y\),
當\(m=0\)時,兩個方程不能相除,此時得到兩個直線的交點為\((1,1)\);
當\(m\neq 0\)時,兩式相除得到\(\cfrac{my}{mx}=\cfrac{x-1}{1-y}\),即\(\cfrac{y}{x}=\cfrac{x-1}{1-y}\),
變形為\(y(1-y)=x^2-x\),整理為\(x^2+y^2-x-y=0\),即\((x-\frac{1}{2})^2+(y-\frac{1}{2})^2=\cfrac{1}{2}\)
再分別驗證點\((1,1)\)和點\((0,1)\)和點\((1,0)\)都在上述曲線上,但是點\((0,0)\)不應該在軌跡曲線上,
[為什么驗證這四個點,原因是由\(\cfrac{y}{x}=\cfrac{x-1}{1-y}\),兩個橫行即分子分母都為零,得到點\((0,1)\)和\((1,0)\),兩個豎行都為零,得到點點\((0,0)\)和\((1,1)\),]
故所求的軌跡方程為\(x^2+y^2-x-y=0(x\neq0且y\neq 0)\)。
可轉化划歸
法1:定義法,記\(\odot O_1\)的圓心\((0,0)\)為點\(F_1\),半徑為\(r_1=1\),記\(\odot O_2\)的圓心\((4,0)\)為點\(F_2\),半徑為\(r_2=3\),
再設動圓的圓心坐標為\(P(x,y)\),半徑為\(R\),則由於動圓\(\odot P\)與兩個圓都內切,則有\(|PF_1|=R+1\),\(|PF_2|=R+3\),
即\(|PF_2|-|PF_1|=2\),故動點\(P\)到兩個定點的距離的差為定值[注意沒有絕對值],則動點的軌跡為雙曲線的右支。
又由上式可知,\(a=1\),\(2c=|F_1F_2|=4\),故\(c=2\),則\(b=\sqrt{3}\),
故得到標准形式的雙曲線的方程為\(\cfrac{x^2}{1^2}-\cfrac{y^2}{3}=1\)①,
但是上述的雙曲線方程是基於雙曲線的中心在坐標原點處的,而本題目的雙曲線的中心在點\((2,0)\),
故將①式對應的圖像向右平移兩個單位,則得到\(\cfrac{(x-2)^2}{1^2}-\cfrac{y^2}{3}=1\),即\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\),
故所求的動圓圓心軌跡為雙曲線的右支,其中心為\((2,0)\),實半軸長為\(1\),虛半軸長為\(\sqrt{3}\)的雙曲線。
法2:交軌法,本題目並沒有明確要求交點的軌跡,但是我們可以將其轉化,使得動點[動圓的圓心]稱為兩曲線族的交點,用交軌法求解。
設動圓的圓心坐標為\(P(x,y)\),半徑為\(R\)(此處我們視其為參數),
\(\odot O_1\)的圓心\((0,0)\),半徑為\(r_1=1\),\(\odot O_2\)的圓心\((4,0)\),半徑為\(r_2=3\),
則點\(P\)的第一軌跡是以\(O(0,0)\)為圓心,以\(R-1\)為半徑的圓周(同心圓族),則$$x^2+y^2=(R-1)^2\quad ①$$
點\(P\)的第二軌跡是以\(O_1(4,0)\)為圓心,以\(R-3\)為半徑的圓周(同心圓族),則$$(x-4)^2+y^2=(R-3)^2\quad ②$$
故動圓圓心\(P\)的軌跡的參數方程為
聯立①②兩式,消去參數\(R\;\)[1]\(\;\)得到,\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\),
[具體的消參過程:
由①得到,\(\sqrt{x^2+y^2}+1=R\),
由②得到\(\sqrt{(x-4)^2+y^2}+3=R\),
則得到\(\sqrt{x^2+y^2}+1=\sqrt{(x-4)^2+y^2}+3\),
先整理得到\(\sqrt{x^2+y^2}-2=\sqrt{(x-4)^2+y^2}\)
兩邊同時平方整理得到,\(\sqrt{x^2+y^2}=2x-3\),
再次兩邊同時平方整理得到,\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\)
由於\(2x-3>0\),故\(x>\cfrac{3}{2}\),故只是雙曲線的右支]
故所求的動圓圓心軌跡為雙曲線的右支,其中心為\((2,0)\),實半軸長為\(1\),虛半軸長為\(\sqrt{3}\)的雙曲線。