求弦长【初级中级高阶辅导】

【摘要】求弦长问题,常见于直线和圆,直线和椭圆,直线和双曲线,直线和抛物线相交所形成的弦的长度问题。

第一类,直线和圆相交所得的弦长问题;

常用方法:

①几何方法;利用弦心距、半弦长、半径所形成的\(Rt\Delta\)求解,还用到点到直线的距离公式。

②弦长公式;\(|AB|=\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|\),运算量稍大一些;

③直线的参数方程法;\(|AB|=|t_1-t_2|\),此时需要注意直线的参数方程必须是标准形式,这种方法不太好理解。

其中以几何方法最为简单。举例如下,

\(\fbox{例1}\)【2019届凤中高三理科月考1第22题】

在平面直角坐标系\(xoy\)中,直线\(l\)的参数方程为\(\left\{\begin{array}{l}{x=2+t}\\{y=1+2t}\end{array}\right.(t为参数)\),以原点为极点,以\(x\)轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,\(\odot C\)的极坐标方程为\(\rho^2-4\rho sin\theta-12=0\)

(1) 求\(\odot C\)的参数方程;

分析:将\(\rho^2=x^2+y^2\)\(y=\rho\cdot sin\theta\)

代入\(\odot C\)的极坐标方程\(\rho^2-4\rho sin\theta-12=0\)

得到\(\odot C\)的直角坐标方程为\(x^2+y^2-4y-12=0\)

\(x^2+(y-2)^2=16=4^2\)

\(\odot C\)的参数方程为\(\left\{\begin{array}{l}{x=4cos\theta}\\{y=2+4sin\theta}\end{array}\right.\) (\(\theta\)为参数,\(\theta\in [0,2\pi)\))。

(2)求直线\(l\)\(\odot C\)截得的弦长。

【法1,几何方法,\(Rt\Delta\)】将直线\(l\)的参数方程消参,得到其普通方程为\(2x-y-3=0\)

则圆心\((0,2)\)到直线的距离为\(d=\cfrac{|-2-3|}{\sqrt{2^2+1^2}}=\sqrt{5}\)

则直线\(l\)\(\odot C\)截得的弦长为\(2\sqrt{r^2-d^2}=2\sqrt{4^2-(\sqrt{5})^2}=2\sqrt{11}\)

【法2,弦长公式】设直线和圆的交点为\(A(x_1,y_1),B(x_2,y_2)\)

联立得到方程组,\(\left\{\begin{array}{l}{2x-y-3=0}\\{x^2+y^2-4y-12=0}\end{array}\right.\)

消去\(y\)得到,\(x^2+(2x-3)^2-4(2x-3)-12=0\)

整理得到,\(5x^2-20x+9=0\)

由韦达定理得到,\(x_1+x_2=4\)\(x_1x_2=\cfrac{9}{5}\)

由弦长公式得到,\(|AB|=\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|\)

\(=\sqrt{1+2^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}\)

\(=\sqrt{5}\sqrt{16-\cfrac{36}{5}}=2\sqrt{11}\)

【法3,利用直线的参数方程求解】图像解释

直线\(l\)的参数方程为\(\left\{\begin{array}{l}{x=2+t}\\{y=1+2t}\end{array}\right.(t为参数)\)

(此时千万要注意,弦长\(|AB|\neq |t_1-t_2|\),原因是这个参数方程不是标准形式的)

将其做如下的转化,

\(\left\{\begin{array}{l}{x=2+\cfrac{1}{\sqrt{5}}\cdot \sqrt{5}t}\\{y=1+\cfrac{2}{\sqrt{5}}\cdot \sqrt{5}t}\end{array}\right.(t为参数)\)

\(\sqrt{5}t=m\),则其参数方程的标准形式为

\(\left\{\begin{array}{l}{x=2+\cfrac{1}{\sqrt{5}}\cdot m}\\{y=1+\cfrac{2}{\sqrt{5}}\cdot m}\end{array}\right.(m为参数)\)

【此时参数\(m\)的几何意义才是动点到静点的距离的数量,千万要注意,即弦长\(|AB|=|m_1-m_2|\)

将直线\(l\)的参数方程的标准形式代入圆的普通方程得到,

\((2+\cfrac{1}{\sqrt{5}}m)^2+(1+\cfrac{2}{\sqrt{5}}m)^2-4(1+\cfrac{2}{\sqrt{5}}m)-12=0\)

整理为\(m^2-11=0\)

令直线和圆的两个交点\(A,B\)分别对应的参数为\(m_1,m_2\)

\(m_1+m_2=0\)\(m_1m_2=-11\)

此时弦长\(|AB|=|m_1-m_2|=\sqrt{(m_1+m_2)^2-4m_1m_2}=\sqrt{4\times 11}=2\sqrt{11}\)

第二类,直线和椭圆相交所得的弦长问题;

常用方法:

①几何方法不再适用;

②弦长公式还能使用;\(|AB|=\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|\),运算量稍大一些;

③直线的参数方程法;\(|AB|=|t_1-t_2|\),需要注意直线的参数方程必须是标准形式;

其中以直线的参数方程法最为简单。举例如下,

第三类,直线和双曲线相交所得的弦长问题;

常用方法:

①几何方法不再适用;

②弦长公式还能使用;\(|AB|=\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|\),运算量稍大一些;

③直线的参数方程法;\(|AB|=|t_1-t_2|\),需要注意直线的参数方程必须是标准形式;

其中以直线的参数方程法最为简单。举例如下,

第四类,直线和抛物线相交所得的弦长问题;

常用方法:

①几何方法不再适用;

②弦长公式还能使用;\(|AB|=\sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|\),运算量稍大一些;

③直线的参数方程法;\(|AB|=|t_1-t_2|\),需要注意直线的参数方程必须是标准形式;

其中以直线的参数方程法最为简单。举例如下,

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