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附加数学 · 可用多种解法的几何题

直线与曲线相切时求参数

题目说直线与曲线相切,你却不知道从哪里下手。

直线与曲线相切,表示两者只有一个公共点。曲线是二次曲线时,联立后的二次方程有一个重根,所以判别式等于零。

这一课属于不止一种解法的几何问题,用到二次函数的判别式和微分的梯度概念。

路线一:判别式

曲线是 y = x² − 6x + 10,直线是 y = 2x + k。直线与曲线相切于一点,求 k。

  1. 令两式相等:x² − 6x + 10 = 2x + k。
  2. 全部移到一边:x² − 8x + (10 − k) = 0。
  3. 只有一个切点,表示 b² − 4ac = 0,即 (−8)² − 4(1)(10 − k) = 0。
  4. 化简:64 − 40 + 4k = 0,所以 4k = −24,k = −6。

10 − k 的括号很重要,漏掉括号是这类题目最常见的失误。

路线二:梯度

曲线的梯度是 dy/dx = 2x − 6,直线的梯度是 2。在切点,两个梯度相等。

令 2x − 6 = 2,得 x = 4。曲线上 y = 16 − 24 + 10 = 2。直线经过 (4, 2),所以 2 = 2(4) + k,得 k = −6。

两条路线得到同一个答案,这就是检查。考试时间够的话,可以用一条路线验算另一条。

参数在斜率里的情况

现在取直线 y = mx + 2 和曲线 y = x² + 4x + 6。求使直线与曲线相切的 m 值。

令两式相等:x² + 4x + 6 = mx + 2,即 x² + (4 − m)x + 4 = 0。判别式是 (4 − m)² − 4(1)(4) = 0,所以 (4 − m)² = 16。

于是 4 − m = 4 或 4 − m = −4,得 m = 0 或 m = 8。两个都对:过 (0, 2) 的两条直线各自与曲线相切,切点分别在 x = −2 和 x = 2。

会丢分的错误

看到“相切于一点”,有人会把判别式设成大于零,其实那是两个交点的条件。

措辞 公共点的个数 条件
直线与曲线相交于两点 2 b² − 4ac > 0
直线与曲线相切 1 b² − 4ac = 0
直线与曲线不相交 0 b² − 4ac < 0

先读措辞,再按这张表选条件。

自我检查

直线 y = 3x + k 与曲线 y = x² − x + 5 相切。求 k,并求切点。

答案

令两式相等:x² − x + 5 = 3x + k,即 x² − 4x + (5 − k) = 0。

判别式:16 − 4(5 − k) = 0,所以 16 − 20 + 4k = 0,k = 1。

k = 1 时方程是 x² − 4x + 4 = 0,x = 2。于是 y = 4 − 2 + 5 = 7。用直线检查:y = 6 + 1 = 7。切点是 (2, 7)。

接下来学什么

接着读用限制条件检验代数交点,然后做综合几何练习题。

想要老师一对一出新的切线题,看你怎样选方法,可以看线上一对一附加数学补习。

常见问题

直线与曲线相切于一点是什么意思?

直线和曲线恰好只有一个公共点,所以把两个方程联立得到的方程有一个重根,判别式等于零。这时直线是切线,它的斜率等于曲线在切点的梯度。

应该用判别式还是微分?

曲线是二次函数时,两种方法都行。判别式只需要代数。曲线不是二次函数时,微分更可靠,但题目必须能让你先求出切点。

为什么判别式给出了两个参数值?

当未知数在斜率里,例如 y = mx + 1,条件会变成一个平方式等于某个数,于是得到两个 m。这表示过同一点有两条不同的直线,各自与曲线相切。

怎样检查答案?

把参数代回去,解出二次方程,确认只有一个重根。再把这个 x 值代入两个方程,看 y 值是否相同。

如果相切题总是在第一步就卡住,一对一的老师可以出新的切线题,并看你怎样选方法。

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