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高中数学—降维打击(十四、从蝴蝶模型看构造对偶式的用武之地)

更新时间:作者:小小条

我们前面已经讲过齐次化、定比点差等固定方法技巧,都可以用来处理两直线斜率的关系问题。上一讲又用极点极线思想解决定值问题,其实质也是在处理两线的斜率。在处理过程中,还介绍了一种非常规方法,就是“三点共线+构造对偶式”,指出该方法在有更好解决方案之前,不要轻易使用。

高中数学—降维打击(十四、从蝴蝶模型看构造对偶式的用武之地)

但有没有什么问题是该方法所擅长的呢?有,就是所谓的“蝴蝶模型”一类的题目。

蝴蝶定理(Butterfly Therorem)是古代欧氏平面几何中最精彩的结果之一,这个命题最早出现在1815年,由W.G.霍纳提出并证明。它的原意是这样的,如下图。

M是圆O的弦AB的中点,过点M作两条弦CD、EF,连接DE、CF交AB于P、Q两点,则M是线段PQ的中点。在图中,DEMFC构成的图形如同一支翩翩起舞的蝴蝶,故得此名。

实际上,上述在圆中得出的结论,如何推广到椭圆、双曲线、抛物线等其它圆锥曲线中,同样成立。

下面,我们举一个例子,该题本是2021年全国高中数学联赛重庆预赛的11题,但在2023年,又被武汉江岸区作为高三期末考试的压轴题大题第21题原样出了,是一个典型的蝴蝶模型题目。

分析:第一问略过,我们直接看第二问。这个题看起来也是关于两直线斜率的关系,但是是商的关系。用齐次化、定比点差解决起来都不太顺手。我们直接步入本讲主题,用上一讲中的配角“三点共线+构造对偶式”作为主角,最后再从极点极线视角去观察一下,看能不能简化一下。

在讲之前,先把三点共线的一些必要背景知识再回顾一下。

我们再来极点极线视角看一个这个问题,很显然,D点可以看作是极点,则根据椭圆方程与D点坐标,很快知道它所对应的极线是垂直于x轴的直线,其横坐标恒为a的平方。

如果我们这条直线上任取一点,则MN的斜率就由该点与左焦点所决定了,这个斜率由所取点的纵坐标d决定。这条直线与椭圆联立,两个解就是M、N两点坐标,同样,它们的坐标也取决于d。由M、N两点坐标可以确定MP、NQ两条线的方程,因为它们都过了D点。这两个方程与椭圆联立,再结合韦达,可以将P、Q两点也用d表示出来。

这样,所有东西除了有椭圆的a、b参数,都只含变量d,理论上斜率之比会将d消去,只与椭圆的a或b有关。

这是从极点极线思想出发的解题思路,但中间肯定还是要用到一些技巧,因为这道题不像前面一讲中的例子,曲线参数都是已知的,应该还是会通过这讲中的三点共线等方法,对一些变量进行代换,才能简单地将所有坐标用a、b、d表示 。

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