题目
Problem
6. The parabola C has Cartesian equation y2=8x
The point P(2p2,4p) and the point Q(2q2,4q), where p,q=0, p=q, are points on C.
(a) Show that an equation of the normal to C at P is
y+px=2p3+4p
(5)
(b) Write down an equation of the normal to C at Q
(1)
The normal to C at P and the normal to C at Q meet at the point N
(c) Show that N has coordinates
(2(p2+pq+q2+2), −2pq(p+q))
(5)
The line ON, where O is the origin, is perpendicular to the line PQ
(d) Find the value of (p+q)2−3pq
(5)
题目中文翻译
- 抛物线 C 的直角坐标方程为 y2=8x
点 P(2p2,4p) 和点 Q(2q2,4q) 在 C 上,其中 p,q=0,p=q。
(a) 证明 C 在 P 处的法线方程为
y+px=2p3+4p
(b) 写出 C 在 Q 处的法线方程。
C 在 P 处的法线和 C 在 Q 处的法线相交于点 N
(c) 证明 N 的坐标为
(2(p2+pq+q2+2), −2pq(p+q))
ON(其中 O 为原点)垂直于 PQ
(d) 求 (p+q)2−3pq 的值。
解答
(a)
解法一
思路
展开
对 y2=8x 关于 x 求导,得到切线斜率。将点 P 的纵坐标 y=4p 代入,再取切线斜率的负倒数得到法线斜率,最后使用点斜式整理成题目要求的形式。
答题过程
展开
Differentiating y2=8x implicitly with respect to x gives
2ydxdy=8.
Hence
dxdy=y4.
At P(2p2,4p), the gradient of the tangent is
4p4=p1.
Since p=0, the gradient of the normal is −p. Therefore, the normal at P is
y−4p=−p(x−2p2).
Expanding and rearranging gives
y+px=2p3+4p,
as required.
(b)
解法一
思路
展开
点 Q 与点 P 使用同一个参数形式,因此把 (a) 的法线方程中的 p 换成 q 即可。
答题过程
展开
Replacing p by q in the result from part (a), the normal at Q is
y+qx=2q3+4q.
(c)
解法一
思路
展开
联立两条法线方程。先相减消去 y,利用立方差公式并使用 p=q 约去 p−q,得到交点的横坐标;再代回其中一条法线求纵坐标。
答题过程
展开
At the intersection of the two normals,
y+px=y+qx=2p3+4p,2q3+4q.
Subtracting the second equation from the first gives
(p−q)x===2(p3−q3)+4(p−q)2(p−q)(p2+pq+q2)+4(p−q)2(p−q)(p2+pq+q2+2).
Since p=q,
x=2(p2+pq+q2+2).
Substituting this into the normal at P,
y====2p3+4p−px2p3+4p−2p(p2+pq+q2+2)−2p2q−2pq2−2pq(p+q).
Therefore,
xN=yN=2(p2+pq+q2+2),−2pq(p+q).
These are the required coordinates of N.
解法二
思路
展开
由于题目已给出待证明的坐标,也可以直接验证该点同时满足两条法线方程。一个点同时位于两条不重合的法线上,因此就是它们的交点。
答题过程
展开
Let N0 be the point whose coordinates satisfy
xN0=yN0=2(p2+pq+q2+2),−2pq(p+q).
For the normal at P,
yN0+pxN0==−2pq(p+q)+2p(p2+pq+q2+2)2p3+4p.
Thus N0 lies on the normal at P. Similarly, for the normal at Q,
yN0+qxN0==−2pq(p+q)+2q(p2+pq+q2+2)2q3+4q.
Thus N0 also lies on the normal at Q. Since p=q, the two normals are distinct, so their intersection is
xN=yN=2(p2+pq+q2+2),−2pq(p+q).
(d)
解法一
思路
展开
按官方评分资料的预期路线,分别用 P,Q 与 (c) 的点 N 求 PQ、ON 的斜率,再利用垂直直线斜率乘积为 −1。这一做法隐含 p+q=0。原题没有排除 q=−p;在该特例中 PQ 竖直而 ON 水平,垂直条件仍成立,但所求式不唯一。因此下文给出的是官方预期的非竖直情形。
答题过程
展开
For the intended non-vertical case,
mPQ===2q2−2p24q−4p2(q−p)(p+q)4(q−p)p+q2.
Using the coordinates of N from part (c),
mON==2(p2+pq+q2+2)−2pq(p+q)−p2+pq+q2+2pq(p+q).
Since ON is perpendicular to PQ,
mPQmON===p2+pq+q2+2−2pq=−1,p+q2×(−p2+pq+q2+2pq(p+q))−1,−1.
Therefore,
p2+pq+q2+2=p2−pq+q2=2pq,−2.
Finally,
(p+q)2−3pq==p2−pq+q2−2.