同一骨架 2016 年全国高中数学联赛一试 第 7 题 · P007250
同支焦点弦先给两端各自的焦半径差,并须确认焦点在两个端点之间;再把内心或内切圆量按边长表达,借距离差消去不必求出的弦端长度。
前题分别研究两个焦点三角形的内心距离,需要保直线方向的真实范围;后题研究跨两个弦端的直角三角形,用直角内切圆公式,不能把两个三角形的内心直接当成同一个点。
焦点弦两侧三角形内心距离
已知双曲线
的左、右焦点分别为 ,离心率为 ,焦点到渐近线的距离为 。 过 作直线 交双曲线 的右支于 两点,若 分别为 与 的内心,则 的取值范围为( )
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
先回想这道题的想法,再试试当前题。
单位方向向量 满足 ,可直接包含竖直方向。焦点三角形内心的顶点权重为各自对边长,计算时应区分以全局原点还是以焦点为原点的坐标。
想法从哪来:先把尺度和动点问题分开:离心率给半轴比例,焦点到渐近线的距离再确定实际长度。对焦点弦,不宜用普通斜率,因为最对称的竖直弦可能正是端点;改用单位方向的横分量,并让两个交点分别沿正、反方向从焦点出发。 双曲线右支的焦距差能直接求出两侧焦半径,它们同为正有限数时,就给出方向参数的开区间。内心坐标用三边加权平均,复杂距离被焦半径替换后,两个内心之差会只留下垂直分量。于是长度只依赖横分量平方。竖直弦实现最小值,渐近方向只能逼近而不能取到,端点的开闭由几何存在性决定。
先由离心率和“焦点到渐近线”的距离定出尺度。再以右焦点为原点,按焦点弦方向 参数化两个交点;双曲线焦半径公式会把两个内心坐标大幅化简。
由离心率 ,有
渐近线为 ,焦点 到任一渐近线的距离为
故 。
以 为原点,取直线 的一个单位方向向量
把两交点写成
双曲线右支上的点 满足 。比较距离平方可得
两交点都在右支当且仅当 。
在三角形 中,三边长依次涉及
由内心的边长加权坐标,以 为原点并记横轴单位向量为 ,有
同理
代入 后得到
因而
当 时,
取 ,所求范围为
因此选择 。
对应过焦点的竖直弦,能取到左端点;当 时直线趋近渐近方向, 一个交点趋于无穷远,故右端点只能逼近而不能取到。
过焦点的双曲线弦适合用单位方向与焦半径参数化。三角形内心用边长加权坐标表示后, 双曲线的焦点差性质常会消去复杂根式。
需将右支条件与焦半径差转为方向参数的精确限制,再利用两侧三角形的边长权重使内心差向量简化,最终分清最小值可达和上界对应渐近方向。
同一骨架 2016 年全国高中数学联赛一试 第 7 题 · P007250
同支焦点弦先给两端各自的焦半径差,并须确认焦点在两个端点之间;再把内心或内切圆量按边长表达,借距离差消去不必求出的弦端长度。
前题分别研究两个焦点三角形的内心距离,需要保直线方向的真实范围;后题研究跨两个弦端的直角三角形,用直角内切圆公式,不能把两个三角形的内心直接当成同一个点。
已记下,谢谢!