关于椭圆中的蝴蝶模型问题的探究与思考

［摘 要］ 蝴蝶模型在解析几何中十分常见，开展模型解读、挖掘模型本质、总结模型问题十分必要. 文章以椭圆中的蝴蝶模型为例，开展模型深度探究，并结合教学实践，提出教学建议.

［关键词］ 解析几何；蝴蝶模型；特征；考点；解法

蝴蝶模型解读

蝴蝶模型是解析几何的重点模型，从外形来看，模型形如两个三角形对顶角相接，因形似蝴蝶的翅膀，故称为蝴蝶模型. 蝴蝶模型在解析几何中十分常见，是几何与函数相结合的典型代表. 探究解析需要把握模型特征，总结模型结论. 下面探究椭圆中的蝴蝶模型.

1. 蝴蝶模型

在图1所示的☉O中，△CFM和△DEM有共顶点M，两三角形的其他顶点F，C，D，E位于☉O上. 蝴蝶模型中隐含着相应定理，即蝴蝶定理：点M是弦AB的中点，两条弦CD和EF过点M，连接DE，CF，与AB分别相交于点P，Q，则点M为线段PQ的中点.

2. 本质探究

高考中直接考查蝴蝶定理的情形并不多见，常将蝴蝶模型与解析几何相结合，对其赋予“数”与“形”的特征.

蝴蝶模型背景下的椭圆综合题中，注重考查直线与椭圆的位置关系. 该类问题本质上是研究椭圆的内接四边形，即两对接三角形的四个顶点构成的四边形. 其中形如蝴蝶的四边形通常由椭圆的两条相交弦来构建. 在实际问题中，并不会直接给定弦，而是设定两条弦过定点，或由某固定线的斜率来确定.

椭圆问题常围绕蝴蝶模型来构建，基于相交弦设定问题，如定点问题、定值问题、斜率问题等. 在具体求解时，注意分析模型特征，充分利用蝴蝶定理来推导条件，通过数形结合分析转化.

典例探究

椭圆中的蝴蝶模型问题多样，常见的有定点定值问题、斜率问题、弦长关系问题等. 下面结合实例具体探究，总结方法策略.

1. 蝴蝶模型中的定点问题

例1 在平面直角坐标系中，已知圆O：x2+y2=9，Q是圆O上任意一点，Q在x轴上的投影是点Q′，点P满足=，设点P的轨迹为曲线E.

（1）求曲线E的方程；

（2）若A（-3，0），B（3，0），过直线x=9上任意一点T（不在x轴上）作两条直线TA，TB与曲线E分别相交于点C（x，y），D（x，y）（异于点A和B），求证：直线CD过定点.

解析 本题为椭圆综合题，问（2）中的弦AB与CD相交于点K，构成了蝴蝶模型，可将其归为椭圆中的蝴蝶模型问题.

（1）该问求曲线E的方程，设点P（x，y），Q（x，y），由=推知x=x，y=y，将其代入方程x+y=9，可得+=1. 所以，曲线E的方程为+=1.

（2）该问求证直线CD过定点，可根据韦达定理，采用“整体代换”的方法解析，具体如下：

设直线CD的方程为x=my+t（t≠0），与椭圆+=1联立，并整理得（5m2+9）y2+10mty+5t2-45=0，由韦达定理得y+y=，yy=，Δ=180（5m2+9-t2）>0.

利用点坐标表示蝴蝶模型中两条弦所在直线的解析式，则AC：y=（x+3），当x=9时，y=；BD：y=（x-3），当x=9时，y=. 所以，=，化简得2xy-xy=3y+6y1①. 又xy+xy=2myy+t（y+y）=②. 综合①和②可得

x

y=

+2

y+

+1

y2，

x

y=

-2

y+

-1

y2.在直线CD的方程y-y=（x-x）中，令y=0，则x==. 分析可知，当

-4

+

-2

=0，即t=1时，直线CD过定点（1，0）.

评析 上述为蝴蝶模型中的定点问题，解析时把握模型特征，采用传统的待定系数法来代换简化. 问题解析有两大关键点：一是把握蝴蝶模型中的两条特殊弦，结合相关点分设直线方程；二是灵活构造对称式方程，形成对应的方程组，巧妙化简求解.

2. 蝴蝶模型中的斜率比值问题

例2 已知椭圆C：+=1（a>b>0）的左、右焦点分别为F，F，M在椭圆C上，△MFF的周长为2+4，其面积的最大值为2，试解决下列问题.

（1）求椭圆C的方程；

（2）直线y=kx（k>0）与椭圆C相交于A和B，连接AF，BF，并延长交椭圆C于D和E，连接DE，则AB与DE的斜率之比是否为定值？说明理由.

解析 本题为椭圆中的蝴蝶模型问题，其中△ABF和△DEF共顶点F，由椭圆的两条相交弦构建.

题设两问，第（1）问求椭圆C的方程，转化△MFF的周长和面积最值条件即可求出椭圆方程的特征参数. 第（2）问是关于蝴蝶模型中两条关键弦的斜率之比的问题，探索其值是否为定值，可采用“设而不求”“整体代换”的方法构建斜率之比.

（1）已知△MFF的周长为2+4，则

F

F+

MF+

MF=2a+2c=2+4，其最大面积S=·2c·b=bc=2，解得a=，b=1，所以椭圆C的方程为+y2=1.

（2）第一步，设定点坐标：设点A的坐标为（x，y），则点B的坐标为（-x，-y）.

第二步，构建方程：推得直线AD的方程为x=y+2，将其代入椭圆C的方程，整理得［（x-2）2+5y］y2+4（x-2）yy-y=0①. 又+y=1，代入方程①，化简得（9-4x）y2+4（x-2）yy-y=0.

第三步，斜率推导：设点D的坐标为（x，y），点E的坐标为（x，y），则yy=，所以y=，x=y+2.直线BE的方程可以表示为x=y+2，同理可得y=，x=y+2. 所以，直线DE的斜率为k===9·=9k，即k∶k=9∶1.

评析 上述蝴蝶模型中的斜率比值问题，属于解析几何中的斜率问题，探究解析时关注模型特点，采用“设而不求”“整体代入”的方法简化斜率比值. 问题突破有两大关键点：一是把握蝴蝶模型的相交弦的位置关系，推导所在直线的方程；二是充分利用类比推导简化的方法，整体代入化简直线斜率比值.

实际上，可推广上述椭圆蝴蝶模型中的直线斜率比值结论，在求解相应问题时直接使用. 具体如下：

如图4所示，在椭圆C：+=1（a>b>0）中，其左、右顶点为A，B，椭圆C的弦PQ过定点M（t，0），则k·k=

3. 蝴蝶模型中的弦长关系问题

例3 如图5所示，已知椭圆E：+=1（a>b>0）的一个焦点与短轴的两个端点是正三角形的三个顶点，点P

，

在椭圆E上.

（1）求椭圆E的方程；

（2）设不过原点O且斜率为的直线l与椭圆E相交于不同的两点A和B，线段AB的中点为M，直线OM与椭圆E相交于不同的两点C和D，求证：MA·MB=MC·MD.

解析 本题同样为椭圆中的蝴蝶模型问题，椭圆的两条弦CD和AB构成蝴蝶模型. 本题第（2）问为核心之问，求证弦长之间的关系，涉及四条弦，探究解析可采用“联立方程”“整体代换”的策略，即设点的坐标，推导线段的长，再整理化简.

（1）把握几何特征，可得a=2b，再结合P

，

在椭圆E上，可得椭圆E的方程为+y2=1.

（2）设直线l的方程为y=x+m （m≠0），点A（x，y），B（x，y），联立直线与椭圆的方程，有

y=x+m，

+y2=1，整理得x2+2mx+2m2-2=0. 结合韦达定理得x+x=-2m，xx=2m2-2，且Δ=4（2-m2）>0，可知参数m的取值范围为（-，）. 由点M的坐标

-m，

推得直线OM的方程为y=-x，与椭圆的方程联立，有

y=-x，

x2+4y2-4=0，可得点C

-，

，D

，-

. 结合点的距离公式得MC·MD=（-m+）·（m+）=（2-m2），MA·MB=AB2=（x+x）2-xx=（2-m2），所以MA·MB=MC·MD，得证.

评析 上述蝴蝶模型中的弦长关系问题，证明弦长乘积相等. 解析采用的是“联立方程”“整体代换”的策略，即设点的坐标，联立直线与椭圆的方程，借助韦达定理推导参数条件，将弦长乘积问题转化为与坐标参数相关的代数问题. 问题解析有两个关键点：一是挖掘其中的隐含模型，即蝴蝶模型，把握模型中的两条弦的特点；二是联立方程，设而不求，简化运算过程.

教学思考

上述深入探究了椭圆中的蝴蝶模型，剖析模型特征，结合实例探究常见问题，并探索解题过程，总结破题关键点. 下面对教学探究提出几点建议.

1. 解析模型特征，挖掘模型本质

蝴蝶模型是高中几何中常见的模型，教学探究要注意模型特征的解析，挖掘模型本质，让学生认识、理解、掌握模型. 上述模型探究按照“特征解析-本质挖掘-考点探究”来开展，探究过程具有连贯性、系统性，循序渐进、逐步深入. 教学时需要注意两点：一是模型解析中的数形结合，即探究时结合直观的模型图象，引导学生关注其几何特征；二是挖掘本质立足知识考点，即引导学生挖掘、理解模型的本质，掌握对应的知识考点.

2. 关注模型考点，总结解题方法

教学时教师要深入剖析模型的知识重点，围绕模型开展考点探究，精选问题，总结解题方法. 上述蝴蝶模型的探究，围绕三大典例问题开展，分析了定点问题、斜率比值问题、弦长关系问题的破解思路，总结了相应的解题方法. 教学引导时要注意两点：一是解题过程中的思维引导，即引导学生思考，锻炼学生思维能力；二是解法的归纳总结，即开展解后反思，让学生充分认识问题，掌握解题策略.

3. 渗透数学思想方法，提升学生综合素养

模型问题的探究教学要注意渗透数学思想方法，以提升学生的综合素养. 以上述蝴蝶模型的探究为例，其涉及了数形结合、模型构建、方程思想等，教学可分三个阶段进行：第一，讲解数学思想方法的内涵，引导学生初步理解数学思想方法；第二，结合模型解析渗透数学思想方法，引导学生感悟数学思想方法，体会数学思想方法的作用；第三，升华数学思想方法，促使学生独立使用数学思想方法构建解题思路，提升学生的思维能力.