2二次曲线上的四点共圆问题的完整结论

1、二次曲线上的四点共圆问题的完整结论 百年前，著名教材坐标几何(Loney著)中曾提到椭圆上四点共圆的一个必要条件是这四点的离心角之和为周角的整数倍(椭圆上任一点的坐标可以表示为R)，角就叫做点的离心角)，证明方法十分巧妙，还要运用高次方程的韦达定理.这一条件是否充分，一直是悬案.在20世纪80年代编写数学题解辞典(平面解析几何)时，仍未解决.到20世纪年代初编写中学数学范例点评时，才证明了此条件的充分性. 2016年高考四川卷文科第20题，2011年高考全国大纲卷理科第21题，2005年高考湖北卷理科第21题(也即文科第22题)及2002年高考江苏、广东卷第20题都是关于二次曲线上四点共圆的问题(见文献3,4).笔者曾由2005年的这道高考题得出了二次曲线上四点共圆的一个简洁充要条件(其证明也很简洁但有技巧)： 若两条直线与二次曲线有四个交点，则这四个交点共圆的充要条件是. 文献2还用此结论证得了“椭圆上的四点共圆的充要条件是这四点的离心角之和为周角的整数倍”. 文献5用较长的篇幅得出了下面的两个结论(即原文末的命题7、8)： 结论1 抛物线的内接四边形同时内接于圆的充要条件是该四边形

2、的两组对边、两条对角线所在的三对直线中有一对直线的倾斜角互补. 结论2 圆锥曲线的内接四边形同时内接于圆的充要条件是该四边形的两组对边、两条对角线所在的三对直线中有一对直线的倾斜角互补. 请注意，文献5中所涉及的直线的斜率均存在，所以这两个结论均正确.但不够完整，本文将给出二次曲线上的四点共圆问题的完整结论，即文末的推论4. 定理1 若两条二次曲线有四个交点，则这四个交点共圆. 证明 过这四个交点的二次曲线一定能表示成以下形式不同时为0)： 式左边的展开式中不含的项，选时，再令式左边的展开式中含项的系数相等，得,此时曲线即 的形式，这种形式表示的曲线有且仅有三种情形：一个圆、一个点、无轨迹.而题中的四个交点都在曲线上，所以曲线表示圆.这就证得了四个交点共圆. 定理2 若两条直线与二次曲线有四个交点，则这四个交点共圆的充要条件是. 证明 由组成的曲线即 所以经过它与的四个交点的二次曲线一定能表示成以下形式不同时为0)： 必要性.若四个交点共圆，则存在使方程表示圆，所以式左边的展开式中含项的系数.而(否则表示曲线，不表示圆)，所以. 充分性.当时，式左边的展开式中不含的项，选时，再令式左边

3、的展开式中含项的系数相等，即，得. 此时曲线即 的形式，这种形式表示的曲线有且仅有三种情形：一个圆、一个点、无轨迹.而题中的四个交点都在曲线上，所以曲线表示圆.这就证得了四个交点共圆. 推论1 若两条直线与二次曲线有四个交点，则这四个交点共圆的充要条件是这两条直线的斜率均不存在或这两条直线的斜率均存在且互为相反数. 证明 设两条直线为，由定理2得，四个交点共圆的充要条件是. (1)当即时，得四个交点共圆的充要条件即也即或. (2)当与不平行即时，由得，所以四个交点共圆的充要条件即也即直线的斜率均存在且均不为0且互为相反数. 由此可得欲证成立. 高考题1 (2016年高考四川卷文科第20题)已知椭圆：的一个焦点与短轴的两个端点是正三角形的三个顶点，点在椭圆上. (1)求椭圆的方程； (2)设不过原点且斜率为的直线与椭圆交于不同的两点，线段的中点为，直线与椭圆交于，证明：. 解 (1)(过程略)椭圆的方程是. (2)设，线段的中点为. 可得，把它们相减后分解因式(即点差法)，再得 所以，由推论1得四点共圆. 再由相交弦定理，立得. 竞赛题1 (2014年全国高中数学联赛湖北赛区预赛第13题

4、)设A、B为双曲线上的两点，点N(1,2)为线段AB的中点，线段AB的垂直平分线与双曲线交于C、D两点. (1)确定的取值范围； (2)试判断A、B、C、D四点是否共圆？并说明理由. 简解 (1)用点差法可求得直线AB的方程是，由直线AB与双曲线交于不同的两点，可得且. 得直线CD的方程是，由直线CD与双曲线交于不同的两点，可得且. 所以的取值范围是. (2)在(1)的解答中已，所以由推论1立得四点共圆. 笔者还发现还有一道竞赛题和四道高考题及均是二次曲线上的四点共圆问题，所以用以上定理的证法均可给出它们的简解.这五道题及其答案分别是： 高考题2 (2014年高考全国大纲卷理科第21题(即文科第22题)已知抛物线C：的焦点为，直线与y轴的交点为，与的交点为，且. (1)求的方程； (2)过的直线与相交于两点，若的垂直平分线与相交于两点，且四点在同一圆上，求的方程. (答案：(1)；(2)或.) 高考题3 (2011年高考全国大纲卷理科第21题(即文科的22题)如图1所示，已知为坐标原点，为椭圆在y轴正半轴上的焦点，过且斜率为的直线与交于两点，点满足0. 图1 (1)证明：点在上； (2

5、)设点关于点的对称点为，证明：四点在同一圆上. 高考题4 (2005年高考湖北卷文科第22题(即理科第21题)设是椭圆上的两点，点是线段的中点，线段的垂直平分线与该椭圆交于两点. (1)确定的取值范围，并求直线的方程； (2)试判断是否存在这样的，使得四点在同一圆上？并说明理由. (答案：(1)的取值范围是，直线的方程是；(2)当时时，均有四点在同一圆上.) 高考题5 (2002年高考江苏卷第20题)设是双曲线上的两点，点N是线段的中点. (1)求直线的方程； (2)如果线段的垂直平分线与双曲线相交于两点，那么四点是否共圆？为什么？ (答案：(1)；(2)是.) 竞赛题2 (2009年全国高中数学联赛江苏赛区复赛试题第一试第三题)如图2所示，抛物线及点，过点P的不重合的直线与此抛物线分别交于点.证明：四点共圆的充要条件是直线与的倾斜角互补. 图2 推论2 设二次曲线上的四个点连成的四边形是圆内接四边形，在该四边形的的两组对边、两条对角线所在的三对直线中：若有一对直线的斜率均不存在，则另两对直线的斜率均存在且均互为相反数；若有一对直线的斜率均存在且均互为相反数，则另两对直线的斜率也均存在

6、且均互为相反数，或另两对直线的斜率中有一对均不存在另一对均存在且互为相反数. 证明 设圆内接四边形是四边形，其两组对边与、与及对角线与所中的直线分别是 由定理中的充分性知，若四个交点共圆，则以下等式之一成立： 再运用定理2中的必要性知，若四个交点共圆，则以上等式均成立.再由推论1的证明，可得欲证成立. 推论2的极限情形是 推论3 设点是定圆锥曲线(包括圆、椭圆、双曲线和抛物线)上的定点但不是顶点，是上的两个动点，直线的斜率互为相反数，则直线的斜率为曲线过点的切线斜率的相反数(定值). 由推论3可立得以下三道高考题中关于定值的答案： 高考题6 (2009年高考辽宁卷理科第20(2)题)已知是椭圆上的定点，是上的两个动点，直线的斜率互为相反数，证明直线的斜率为定值，并求出这个定值.(答案：.) 高考题7 (2004年高考北京卷理科第17(2)题)如图3，过抛物线上一定点作两条直线分别交抛物线于.当与的斜率存在且倾斜角互补时，求的值，并证明直线的斜率是非零常数.(答案：.) 图3 高考题8 (2004年高考北京卷文科第17(2)题)如图3，抛物线关于轴对称，它的顶点在坐标原点，点均在抛物线上

7、.当与的斜率存在且倾斜角互补时，求的值及直线的斜率.(答案：.) 推论4 设二次曲线上的四个点连成的四边形是圆内接四边形，则该四边形只能是以下三种情形之一： (1)两组对边分别与坐标轴平行的矩形； (2)底边与坐标轴平行的等腰梯形； (3)两组对边均不平行的四边形，但在其两组对边、两条对角线所在的三对直线中，每对直线的斜率均存在且均不为0且均互为相反数. 证明 推论2中的圆内接四边形，只能是以下三种情形之一： (1)是平行四边形.由推论2知，该平行四边形只能是两组对边分别与坐标轴平行的矩形. (2)是梯形.由推论2知，该梯形的底边与坐标轴平行，两腰所在直线的斜率及两条对角线所在直线的斜率均存在且均不为0且均互为相反数，可得该梯形是底边与坐标轴平行的等腰梯形. (3)两组对边均不平行的四边形.由推论2知，该四边形的两组对边、两条对角线所在的三对直线中，每对直线的斜率均存在且均不为0且均互为相反数. (本文中的所有结论及部分题目在文献6中均有论述.) 参考文献 1 陈振宣.圆锥曲线上四点共圆的充要条件J.数学教学，2007(2)：33 2 甘志国著.初等数学研究(II)下M .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.62-63 3 甘志国.对一道高考题的研究J.数学通讯，2005(22):21 4 甘志国.2011年数学大纲全国卷压轴题研究J.考试(高考理科)，2011(8)：36-38 5 张乃贵.圆锥曲线上四点共圆充要条件的探究J.数学教学，2012(7)：8-10 6 甘志国.二次曲线上的四点共圆问题的完整结论J.数学通讯，2013(7下):40-41

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