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“非常距离"下的轨迹探究

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9一.f 数学教学 2013年第9期 “非常距离"下的轨迹探究 215625江苏张家港市第三职业高级中学屈奇峰 2012年北京市中考数学最后一题为:在平 线,交于点Q,则A P1P2Q为等腰直角三角形, 面直角坐标系中,对于任意两点 ( l, 1)、 所以I P1QI=IP2Ql,即l 1一X2l=lYl—Y2I. P2(x2,Y2)的“非常距离”,给出如下定义: 同理,当过点P1、P2的直线斜率 =一1时, 若I 1一X2I≥lYl一 2I,则点P1与点P2的 亦有lXl—X2I=lYl—Y21.所以分类讨论的关 “非常距离”为1X1一X21; 键和斜率 =士1的直线有关. 若I 1一X21<lYl一 2l,则点P1与点P2的 若定点A(a,b)、动点P(x, ),则这两点 “非常距离”为l 1一 21.题目的具体内容从略. 的“非常距离”可以这样求出:过点 分别作 这几年,中考和高考里出了很多关于距离 尼=-4-i的两条直线,把整个平面直角坐标系分 的创新题,像2010年广东理科卷以及2012年 成四个区域,如图2所示. 在区域(1)中, 无锡中考数学卷中的折线距离f或称直角距 d(PjA)=Y—b,在(2)一(4)中,d( )分别等 离);2011年上海高考理科卷中的点到线段的 于X—a,b—Y,a—x. 距离等等,而这个“非常距离”又有何非常之 处?下面我们就来探究一番. 、J I PpP(x, )y 1 / -, 1 l, 1) 、、,, 若我们规定,max{aj6'}为a、b中较大者, / 、、 ● / ,、/ 、 (1) , , lP1P2I为P1、P2两点的欧氏距离,d(P1、P2) ,, ,为P1、P2两点的“非常距离”,则“非常距离”的 / l— 2I 、、、、/ ㈤讹 (2) 2 2.、,  ) ●● 、. — 定义可以简化为:d(P1,P2)=m ̄x{Ixl— I 】 Q 、 ~ /0 、 X2l,IYl一 21).这个新定义是完全合理的,因为 ,D , (3) 、、 它满足下面的距离公理: / 、、 、 (1)非负性:d(P1,P2)≥0,且d(P1,P2)= 图1 图2 0 ̄--->Pl=P2; 注:下面的讨论过程中,分类讨论的基 (2)对称性:d(P1,P2)=d(P2,R); 础都是过定点作斜率后=士1的直线,分平 (3)三角不等式:d(P1,P2)≤d( ,X)+ 面直角坐标系为若干区域,规定最上的 d(P2,X),X为平面直角坐标系中任意一点. 区域为(1),其他区域按顺时针方向,分别 那么,一般情况下P1(Xl,Y1)、P2( 2,Y2)两 为(2)、(3)、(4)……,若有中间的区域,则标 点的“非常距离”该如何具体求出呢? 号为最末,每一个区域包含了边界的射线或者 当过尸】、P2两点的直线斜率后=1时 线段,不赘述. (图1),过点 、P2分别作 轴,Y轴的垂 下面我们利用“非常距离”的定义,仿照文 构造“凹槽形”相似图形,巧妙建立了动点之间 三、触类旁通的效果,当然,上述几个问题的 的坐标关系,从而探求出当直角顶点置于规则 解答,还可以从不同的角度给出其他解法,教 曲线上进行旋转时,具有的固定不变规律.这 学中需见机行事.经常做这种训练,不仅可以 样做不仅能巩固知识,形成技能,而且能启发 提高学生思维深度,还可以培养学生面对难题 思维、渗透数学思想、培养能力,达到举一反 时良好从容的心态. 2013年第9期 数学戡学 9一i5 …,探讨一些和距离有关的轨迹,以及如何快 速地作出相应的图形.为节省篇幅,只对圆和 双曲线作详细讨论,其他情况只给出相应的结 论. 圆 为所求.或者,换个角度,我们可以这样考虑, 如图4所示,以P为圆心作圆,圆和直线 的位置从相离到相切,当相切时,切点即为垂 足Q.所以,我们也用同样的方法来求点到 设圆心为定点A(a ),半径为定长r(r> 0),则圆上的点P(x,Y)满足d(只A)=r. 如图3,在四个区域中分别讨论得: 直线的非常距离.如图5所示,以点P为 中心作边长从小到大的正方形,当正方形和 直线f有唯一交点Q时,Q为正方形的左 上顶点,此时,非常距离下的圆和直线相切, (1)Y—b:r,.‘.Y:b+r,得线段BC, d(Pj f)=d( Q),kpQ=-1,过P作 轴 ‘..其中B(a— b+ ),C(a+r,b+r). (2) —a=r’... =a+r,得线段 D, 其中D(a+ b—r). (3)b—Y=r,.‘.Y=b—r,得线段DE, 其中E(a—r,b—r). (4)a—x=r’... =a— ,得线段EB. 得以圆心为中心,边长为2r的正方形 (图3).且kcE=1,kBD=--1 、、- y / ‘、,c \ 、、:、 / , / 、、 r ~ ’、 一 , D、 , 、、 图3 作法:把圆心分别上下平移r个单位,得 到两个点,过这两个点作水平直线.再把圆心 分别左右平移r个单位,得到两个点,过这两 个点作竖直直线,所得四条直线围成的正方形 即为非常距离下的圆. ’.‘d(B,C)=(a+r)一(a— )=2r,得圆 的周长为8r,圆周率7r为圆的周长与直径的比 值.在欧氏几何中,丌是一个无理数,而在非常 距离下,丌= =4,是一个有理数了. ’ 下面利用圆来求平面内点到直线的非常 距离. 设点P(xo, 0)和直线f:Y=kx+b(k≠ 0)上任一点 ,称d( )的最小值为点P到 直线f的非常距离,记作d(P’f). 在欧氏几何中,求点JF)到直线f的距离, 只需过P作f的垂线,得垂足Q,则IPQl即 的垂线,交切圆于点M,则d(P1Q)=IPMI. ‘・’1pQ:Y = +XO+ 0,解之得 =Q = XO十 O一 b 1+k l= 1kxo一 o +b 1+k >01. 图4 图5 同理,如图6所示,当直线f的斜率 <0 时,kpQ 1,计算得d(Pj f)= . _.I 一 \ 图6 所以点P(xo, o)到直线f: =kx+b(k≠ 0)的非常距离为: d(Pj f)= ………… 当直线f为水平直线(k:0)时(图7),直 线和非常距离下的圆相切,切点有无穷多个, 它们组成线段AB,其上任意一点到点P的非 常距离都相等,我们取和点P在同一竖直直线 上的点Q( 0,6),d(P'1)=IYo—bl,也满足上面 的(水)式.所以公式(木)满足斜率存在的所有情 况. 9-16 J,J 一 数学教学 2013年第9期 注:下面讨论的射线都在求出的直线上, , 结合所在的区域,不难得到对应的图形,所以 ●P ,:v=b 一 我们只给出起点,不赘述. - Q 0 (3) 一(-C)]一( —c)=2a,矛盾. (4) 一(-c)J一(0一 )=2a,.‘. :一 十 2a—C,得以B为起点的射线,其中U(a,n—C). (5)(0一 )一(0一 )=2a,矛盾. (6)(0一 )一(c一 )=2a,.‘. = 一2n— C< —c,不在区域(6)内,矛盾. 图7 当直线f为竖直直线时,斜率不存在,如 图8所示,d(P’1)=lX0~0 y ,: 口 ● r 1 Q● I .P B● J D 图8 双曲线 设F1、F2为两焦点,焦距为d(F1,F2),实 轴长为2a(a>0),P(x, )为所求双曲线上任 一点,则Id(P’F1)一矗(P’F2)l=2a. (i)当两焦点在同一条水平直线上时, 取如下特例,F1(一C,O),F2(C,0),c>0,则d(F1, F2)=2C,2a<2c.如图9,在九个区域中分别 讨论得: (一)d(P,F1)一d(P,F2)=2a (1)( 一0)一( 一0)=2a,矛盾. (2) 一(-C)]一( 一0)=2a,.‘. = +c一2a,得以A为起点,斜率 =1,往 右上方的射线,其中A(a,C一0). \、、、’ I Y=x+c,// ,, / 、 ・、 一一 D 、~、 、1 l( / / /一c 、 一 ~  l,, 、 、、:.什t 、 , B\ 、、 \\ \ ~ \ 、 图9 (7)(一C— )一(C— )=2a,矛盾. (8)( 一0)一(C— )=2a,.‘. :一 + 2n+c,不在区域(8)内,矛盾. (9) 一(一c)]一(C— )=2a,.‘. =n,得 线段A . (二)d(Pj F1)一d(P)F2)=-2a 注:为节省篇幅,下面的讨论过程中,我们 对得到矛盾的区域都忽略了,请读者自行补足. (6)(0-y)一(C--X)=-2a,.‘. =z+2a- c,得以C为起点的射线,其中C(一0,n—c). (8)(y-O)一(CDX)=-2a,.‘. :-z+c- 2a,得以D为起点的射线,其中D(一n,C一0). (9) 一(-C)]一(c— )=-2a,.‘.z=一0, 得线段CD. 所以得到两条折线,关于 轴、 轴轴对 称,且关于原点中心对称. (ii)当两焦点在斜率k=1的直线上时, 取如下特例,F1(一c,一c),F2(c,c),C>0,则 d(F1,F2)=2c,2a<2c.如图10,在六个区域 中分别讨论得: (一)d(P,F1)一d(Pj F2)=2a (3) ~(-C)]~(c一 ):2a,.‘. = 一 +2a,得以A为起点的射线,其中A(a,n). : / 。 、、、/ 、● 、、、 、一 ’、 //、、、、 / 图10 2013年第9期 数学数学 9一i (6)[Y一(-c)】一(C—z)=2a,.‘.Y= \ J 一 +20,得以 为起点的射线. 13:Y 一时: c+2m , (二)d(P1 F1)一d(P1 F2)=-2a 、、、ll:y c._2m / (3) 一(-c)]一(c-y)=一2a,・‘・Y=一X一 20,得以B为起点的射线,其中B(-a,一0). \ / 一、\/ .・’ (6)[Y一(-c)]一(C—X)=一2a,.‘.Y= \ 一 、l , , 、、 -X一20,得以B为起点的射线. :t_D 所以得到过 、 两点,斜率k=-1的 / 、、 , 、、 两条平行直线.关于Y=ix轴对称,还关于任 . 一条平行于Y=X的直线对称,且关于原点中 / 凡,/  , \ 心对称. 图l2 (iii1其他情况. 当两焦点在斜率 >0, ≠1的直线上 、、 ,, 时,简单起见,取 >1,所以取如下特例, 、、 / 、 , F1(0,0),F2(2m,2c),c>m>0,则d(F1,F2)= L \、 ., 、、c_、 ■_  L 2c,20<2c.如图11,四条直线把直角坐标 系分成九个区域,四条直线分别为11:Y= / ,一/ 一 ’ 、 X+2c一2m,12:Y=X,13:y=一 +2c+2m, 、、 ,/\ ’、 Z4:Y=--X r (一)d( F1)一d(P,F2)=2a ./ ,/ ,n’  ・.\\ \、\ 、 :图13 、当d(P,F1)一d(Pj F2)=2m时 、,/ 『2:y= (2)Y: ,得以S为起点的射线. (3)( 一0)一(X一2m)=2m,恒成立,得 、、D , , , 、 、 区域(31. / /、. (4)(X一0)一(2c—Y)=2m,.‘.Y= /F , 、一 、、+2c+2m,得以S为起点的射线. _ \ 、,. / 、 \ \ 、、、;,  实际上,在区域(2)、(4)中所得的两条射 线,就是区域(3)的边界射线,接下来的讨论中, 图11 若有类似情况,我们只选区域. (2)(Y—o)-(x一2m)=2a,.‘.Y:X+2a一 (8)(Y一0)一(2m— )=2m,.‘.Y=一X+ 2m,此直线必在直线ll之下,但与直线22的 4m,得以 为起点的射线,其中 (3m—c,C+ 关系,取决于a、m这两者之间的大小. m1. 当2a一2m>0,即a>m时,Y=X+ . (9)(Y一0)~(2c—Y)=2m,.‘.Y:C+m, 2a一2m在直线Z2之上;当a=m时,Y= 得线段 S. X+2a一2m与直线f2重合;当a<m时, 当d(P,F1)一d(Pj F2)=一2m时 Y=z+2a一2m在直线12之下.所以,我们 (4)(X一0)一(2c—Y)=一2m,.‘.Y: 又要分成三类来讨论. 一 +2c一2m,得以B为起点的射线,其中 ①c>a>m>0或者②c>m>a> B(c—m,C—m). 0时,讨论过程与上面的(i)类似,得图l1和 (7)(0一 )一(2m—X)=一2m,恒成立,得 图12.③e>a=m>0,如图13所示,中间 区域f71. 区域(9)为矩形,其另两个顶点为R(m—C,C— (9)( 一0)一(2c-y)=一2m,.‘.Y=c—m, m)、s(c+m,c+m). 得线段兄日. 9一l8 数学救学 2013年第9期 所以得如图13表示的图形.当两焦点在 F2)=2c,2a>2c.得图16.轨迹为一个六边形, 斜率0<k<1的直线上时,在区域(9)中的线 段变成竖直线段,射线和区域作相应改变. 作法:若两焦点在斜率k=土1的直线上 时,作对应的两条直线即可.其他情况下,先作 区域(9)表示的矩形内的线段AB、CD,然后 过线段的端点在矩形的形外作垂直于相应边的 射线,其中,若如果线段AB、CD恰好过矩形 的某个顶点,则对应的整个区域都满足,这样 得双曲线. 椭圆 设F1、F2为两焦点,焦距为d(F1,F2), 长轴长为2a,P(x,Y)为所求椭圆上任一点, 贝0 d(P’F1)+d(P F2)=2a. (i)当两焦点在同一水平直线上时,取如下 特例:F1(一c,0),F2(c,0),c>0,则d(F1,F2)= 2c,20>2c.最终得图14,轨迹为一个八边形, 关于 轴, 轴,Y=Ix四条直线轴对称,且 关于原点中心对称. 、、 、、 ■垦,/ ■一 ~、、/\、 , \ , -,,、I、、F 、 l,, 、、0 、、、 /\/ /G E、、 图14 通 非常距离 下的椭 、一 ,, 、 —■● 、、、 // \ ,I, 、, \ \,, 、 I、、0, 、、 /l~ l,, 、0 , ,、、,、l王 、、 , 、,, 、 ,, \/ :、 、、/ /、、 —— (ii)当两焦点在斜率k=1的直线上时,取 如下特例:F1(一c,一c),F2(c,c),c>0,则d(F1, 关于 =ix轴对称,关于原点中心对称. v:一 玉、、 .y 、、 .y= / 、- / -B V=— ,、、I(  ≯==: E ,,, ≥≮ 、 、 ● 、、 、, .一 ■. / / 图16 (iii)其他情况. 仅给出两焦点连线的斜率满足0<k< 1和k>1的图形,如图17和图18所示. 抛物线 设F、2分别为焦点和准线,F 2, P(x,Y)为所求抛物线上任一点,则d(P'F)= d(尸,2).准线分平面为两个大区域,抛物线必在 包含焦点的区域内,否则,d(P,F)>d( 2)(证 明略1. 、、 / 、,-一 _ / 、 /、 l、 ,/一 0 、/ 、・  ≥: / 、 , 、 , 图17 \Y J、、、 /一 一 J.《,, Fl 、、/ , ——— ,./ 、、 图18 2013年第9期 数学教学 9-19 (ii)当 、B两点在斜率 =1的直线上 (i)当准线为一条竖直直线上时,取如下特 例:F(c,0),f:X=一c(c>0),得图19,轨迹 为一条竖直线段以及以线段的端点为起点,斜 时,我们取 (一c,一c),B(c,c),c>0.得图23. 这个和我们欧氏几何中的中垂线完全一样了. 率等于 士1的两条射线.它关于过焦点且垂直 于准线的直线对称. 。 , 1 , D I / / , . ●图19 fii)当准线的斜率k>0时,我们取如下 特例:F(c,0)(c>0),f:Y=kx,F在f的右 下方,得图20.特别地,准线斜率k=1时,如 图2l,轨迹关于过焦点、斜率等于一1的直线 对称. 、 、、 / D ~ / ・、 , , ,\ \ 。、 图20 图21 线段AB的中垂线 . P(x, )为所求中垂线上任一点,则 d( )=d( B). (i1当A、B两点在同一条水平直线上时, 我们取A(一c,0),B(c,0),c>0.得图22.中垂 线为区域(1)和区域(5)以及线段CD. 图22 ’、、 ,/ . ,、/ 、 ,B ,, 、、 / 、 ~ 、、 0,, 、、 / ■、 / 、 / 、 / ,图23 (iii)当 、B两点在斜率0< <1的直 线上时,我们取 (0,0),B(p,q),P>q>0.得 图24.而图25给出了kAB>1的结果,其他 情况作相应的调整即可. \ , 、、: Eq 一 ~、 、、 , ^、, 、、 、,,、. 、、 , - ,, ‘/ 、 , 图24 图25 以上,我们仅仅讨论了非常距离下的圆, 中垂线以及第一定义下的圆锥曲线.那么,在 非常距离下,利用中垂线和圆,任意三角形是 否存在外接圆?若有,有几个?如何作出?相应 地,任意三角形是否有内切圆?实际上,欧氏 几何中众多的几何定理,会有什么新的改变? 这些都是值得我们继续探讨的问题. 参考文献 『11夏德凡.“直角距离”下的轨迹探究 . 数学教学,2o11(12):16—20,31. 

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