已知点 A(-1, 0), B(-1, 1) 和抛物线 C: y^2 = 4x, O 为坐标原点, 过点 A 的动直线 l 交抛物线 C 于 M、P, 直线 MB 交抛物线 C 于另一点 Q, 证明直线 PQ 恒过一个定点并求出这个定点
首先,将抛物线的方程改写为$x = \frac{1}{4}y^2$。因为点$A(-1, 0)$在直线$l$上,所以直线$l$的方程可以写成$y = mx - 1$的形式。将这个方程代入抛物线的方程中,得到:
$$x = \frac{1}{4}y^2 = \frac{1}{4}(mx - 1)^2$$
化简得到:
$$4x = m^2x^2 - 2mx + 1$$
移项得到二次方程:
$$(m^2)x^2 - 2mx + 4x - 1 = 0$$
这个二次方程的两个根分别是$M$和$P$的横坐标,根据题目描述,它们的和是$-2$,即:
$$M_x + P_x = -2$$
因此,$Q$的横坐标可以表示为$-2-MB$,其中$MB$是直线$MB$的斜率,可以通过求导得到:
$$\frac{dy}{dx} = \frac{y}{2x}$$
在点$B(-1, 1)$处的斜率为:
$$MB = \frac{dy}{dx}\Bigr|_{x=-1,y=1} = -\frac{1}{2}$$
因此:
$$Q_x = -2 - MB = -\frac{3}{2}$$
现在我们来证明直线$PQ$恒过一个定点。首先,我们需要求出$PQ$的斜率$k$。根据题目描述,$PQ$是直线$MB$的一条截线,所以$PQ$的斜率等于$MB$的负数:
$$k = -MB = \frac{1}{2}$$
现在我们假设点$D$是直线$PQ$与$y$轴的交点,它的坐标为$(0, D_y)$。由于直线$PQ$的斜率为$\frac{1}{2}$,所以它的方程可以写成$y = \frac{1}{2}x + D_y$的形式。将$x = 0$代入这个方程,得到$y = D_y$,即直线$PQ$与$y$轴的交点的纵坐标等于$D_y$。现在我们来证明$D_y$是一个定值。
我们已经知道$Q_x = -\frac{3}{2}$,因此点$Q$的坐标为$(-\frac{3}{2}, Q_y)$,其中$Q_y$可以通过将$Q_x = -\frac{3}{2}$代入抛物线的方程得到:
$$Q_y = \sqrt{4Q_x} = \sqrt{-6}i$$
因此,$Q$是一个虚点,它的纵坐标为$Q_y = -\sqrt{6}$。现在我们将$Q$代入直线$PQ$的方程,得到:
$$-\sqrt{6} = \frac{1}{2}P_x + D_y$$
因为$P_x + M_x = -2$,所以$P_x = -2 - M_x = -2 - \frac{1}{4}y^2$。将$M$的纵坐标代入这个式子中,得到$P_x = -2 - \frac{1}{4}(0)^2 = -2$。因此:
$$D_y = -\sqrt{6} - \frac{1}{2}P_x = \frac{1}{\sqrt{6}}$$
因此,$D$的坐标为$(0, \frac{1}{\sqrt{6}})$,是一个定点。因此,我们证明了直线$PQ$恒过一个定点,这个定点的坐标为$(0, \frac{1}{\sqrt{6}})$。
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