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學習・解釋・訂正

雙曲線:分支與漸近線

先理解概念,獨立嘗試,再解釋想法如何改變。

高二選擇性必修 第一册(A版).pdf · 3.2 · PDF 123 / 印刷頁 118

先重溫:橢圓:定義、軸與限制

專題 01

雙曲線:分支與漸近線

分清有符號及絕對焦距差;直線平行漸近線時檢查方程降次。

學完之後,你能解釋

  • 由焦距差連結c²=a²+b²。
  • 辨認兩種方向的分支、頂點及漸近線。
  • 分類焦距差邊界情況及單交點直線。

距離差絕對值定兩支,符號選一支

直線可因二次項相消而只與雙曲線交於一點,因此單交點不能單獨證明相切。

非退化雙曲線要求0<2a<2c;絕對差給兩支,指定符號則分辨哪一焦點較遠。

x2/a2−y2/b2=1,c2=a2+b2,y=±(b/a)xx^2/a^2-y^2/b^2=1,\quad c^2=a^2+b^2,\quad y=\pm(b/a)x
  1. 重排方程,比較大坐標的主導部分。

    y2=(b2/a2)x2−b2y^2=(b^2/a^2)x^2-b^2
  2. 主導比率趨近±b/a,但直接代入漸近線會得0=1。

    x2/a2−(bx/a)2/b2=0x^2/a^2-(bx/a)^2/b^2=0

成立條件

  • 所示標準方程要求a、b均為正。
  • 代入直線後,須檢查多項式的實際次數。

反例:直線y=x+1只在(−1,0)與x²−y²=1相交,但該處切線是x=−1。

  • 焦距差↔有符號分支↔標準方程↔漸近線斜率。

預測 → 操作 → 解釋 → 遷移

先留下預測,再探索關係。

課節思考:預測把漸近線平行移動會有零、一還是兩個交點。

模型實驗:先預測調整下列參數會改變哪個結果,再以顯示的數值檢查,並與課節問題比較。

紅線平行於正斜率漸近線;截距零時無交點,否則二次項相消留下唯一線性解,這不是相切判斷。P

紅線平行於正斜率漸近線;截距零時無交點,否則二次項相消留下唯一線性解,這不是相切判斷。

圖像的數值資料,可列印
量數值
slope / 斜率0.5
offset / 截距1
intersection count / 交點數1
P-2, 0

解釋:非零截距時,精確相消留下線性方程;零截距時留下矛盾。

遷移:解釋截距趨近零時交點為何離開視窗。

試一試,把思路寫下來。

每次只看一個提示。訂正時記錄想法如何改變,不只抄下答案。

例題 1–3:先讀完整示範;由已完成的首步接續推理;再獨立選方法,完成後才展開解答。其餘練習可於課後繼續。

01 / 基礎#示範例題

求頂點、焦點及漸近線。

x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
正項決定實軸方向。
提示 2
雙曲線的c²為平方和。
完整解答
  1. 讀出a=3、b=4、c=5。

    c2=9+16=25c^2=9+16=25
  2. 把頂點、焦點置於x軸,再令齊次二次式為零。

    V=(±3,0), F=(±5,0), y=±4x/3V=(\pm3,0),\ F=(\pm5,0),\ y=\pm4x/3

頂點(±3,0)、焦點(±5,0)、漸近線y=±4x/3。

檢查與易錯點:漸近線經中心,不是焦點。

推理清單・自評/教師評核
  • 頂點(±3,0)、焦點(±5,0)、漸近線y=±4x/3。
  • 漸近線經中心,不是焦點。

先思考,待同學準備好再展開提示。

02 / 鞏固#示範例題

焦點為(±5,0),焦距差的絕對值為6,求方程。

已提供首步,請接續推理:用a=3、c=5。

b2=25−9=16b^2=25-9=16
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
常數為2a。
提示 2
還原b²=c²−a²。
完整解答
  1. 用a=3、c=5。

    b2=25−9=16b^2=25-9=16
  2. 距離差取絕對值,故保留兩支。

    x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1

x²/9−y²/16=1。

檢查與易錯點:有符號距離差會只選一支。

推理清單・自評/教師評核
  • x²/9−y²/16=1。
  • 有符號距離差會只選一支。

先思考,待同學準備好再展開提示。

03 / 遷移#示範例題

直線y=x+1與x²−y²=1只有一個交點。它是切線嗎?證明。

考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
代入後可能降次。
提示 2
比較交點的真正切線斜率。
完整解答
  1. 二次項抵消,只剩一根。

    x2−(x+1)2=1⇒x=−1,y=0x^2-(x+1)^2=1\Rightarrow x=-1,\quad y=0
  2. (−1,0)的切線垂直,而y=x+1並非垂直線。

    x=−1x=-1

不是切線;它平行於一條漸近線。

檢查與易錯點:消元方程降為一次時,一個交點不代表相切。

推理清單・自評/教師評核
  • 不是切線;它平行於一條漸近線。
  • 消元方程降為一次時,一個交點不代表相切。

先思考,待同學準備好再展開提示。

04 / 基礎#獨立練習

求中心至焦點距離c。

x2/16−y2/9=1x^2/16-y^2/9=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
相加平方參數。
提示 2
取正平方根。
完整解答
  1. 用c²=a²+b²。

    c2=16+9=25c^2=16+9=25
  2. 轉成距離。

    c=5c=5

c=5。

檢查與易錯點:相減會誤用橢圓關係。

先思考,待同學準備好再展開提示。

05 / 基礎#獨立練習

求離心率。

x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
焦距為5。
提示 2
除以實半軸3。
完整解答
  1. 求c/a。

    e=9+16/3e=\sqrt{9+16}/3
  2. 化簡。

    e=5/3e=5/3

e=5/3。

檢查與易錯點:雙曲線e>1,因此3/5不正確。

先思考,待同學準備好再展開提示。

06 / 基礎#獨立練習

求頂點及漸近線。

y2/4−x2/9=1y^2/4-x^2/9=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
正項在垂直方向。
提示 2
求漸近線時令二次差為零。
完整解答
  1. 頂點的x=0。

    V=(0,±2)V=(0,\pm2)
  2. 解齊次方程。

    y2/4=x2/9⇒y=±2x/3y^2/4=x^2/9\Rightarrow y=\pm2x/3

頂點(0,±2);漸近線y=±2x/3。

檢查與易錯點:不可只因字母改變便任意倒轉斜率比。

推理清單・自評/教師評核
  • 頂點(0,±2);漸近線y=±2x/3。
  • 不可只因字母改變便任意倒轉斜率比。

先思考,待同學準備好再展開提示。

07 / 基礎#獨立練習

點(5,y)在x²/9−y²/16=1上,求y²。

考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
把負項移到另一邊。
提示 2
保留精確分數。
完整解答
  1. 代入x=5。

    y2/16=25/9−1=16/9y^2/16=25/9-1=16/9
  2. 乘16。

    y2=256/9y^2=256/9

y²=256/9。

檢查與易錯點:有兩個y值;兩者均仍在x>0分支。

先思考,待同學準備好再展開提示。

08 / 鞏固#獨立練習

描述雙曲線上可取的x坐標。

x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
y²項非負。
提示 2
平方不等式的解須寫成聯集。
完整解答
  1. 整理並限制x²。

    x2/9=1+y2/16≥1x^2/9=1+y^2/16\ge1
  2. 所得兩射線中的每個x均給實數y。

    x≤−3 or x≥3x\le-3\text{ or }x\ge3

(−∞,−3]∪[3,∞)。

檢查與易錯點:−3≤x≤3描述的是被排除的中央區域。

推理清單・自評/教師評核
  • (−∞,−3]∪[3,∞)。
  • −3≤x≤3描述的是被排除的中央區域。

先思考,待同學準備好再展開提示。

09 / 鞏固#獨立練習

證明y=4x/3上沒有任何有限點位於此雙曲線。

x2/9−y2/16=1x^2/9-y^2/16=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
精確代入直線。
提示 2
左邊變為常數。
完整解答
  1. 兩平方項相等。

    x2/9−(4x/3)2/16=0x^2/9-(4x/3)^2/16=0
  2. 方程將要求0=1。

沒有有限交點。

檢查與易錯點:漸近線在無窮遠被趨近,不屬曲線本身。

推理清單・自評/教師評核
  • 沒有有限交點。
  • 漸近線在無窮遠被趨近,不屬曲線本身。

先思考,待同學準備好再展開提示。

10 / 鞏固#獨立練習

水平雙曲線a=3,兩漸近線垂直,求b。

a>0, b>0a>0,\ b>0
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
斜率為b/a及−b/a。
提示 2
斜率乘積為−1。
完整解答
  1. 使用垂直斜率條件。

    −b2/9=−1-b^2/9=-1
  2. 取正參數。

    b=3b=3

b=3。

檢查與易錯點:負根不能代表正半軸參數。

先思考,待同學準備好再展開提示。

11 / 鞏固#獨立練習

哪一支滿足PF₁−PF₂=6?

F1=(−5,0),F2=(5,0), x2/9−y2/16=1F_1=(-5,0),F_2=(5,0),\ x^2/9-y^2/16=1
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
檢查右頂點。
提示 2
有符號差在每一支為常數。
完整解答
  1. (3,0)到兩焦點距離為8及2。

    PF1−PF2=6PF_1-PF_2=6
  2. 右支到左焦點較遠。

    x≥3x\ge3

右支,x≥3。

檢查與易錯點:只有絕對值方程會包含兩支。

推理清單・自評/教師評核
  • 右支,x≥3。
  • 只有絕對值方程會包含兩支。

先思考,待同學準備好再展開提示。

12 / 遷移#獨立練習

以原點為中心的水平雙曲線,漸近線y=±2x,且過(√2,2),求方程。

考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
斜率給b=2a。
提示 2
已知點決定剩下的大小。
完整解答
  1. 把b²=4a²代入點的方程。

    2/a2−4/(4a2)=12/a^2-4/(4a^2)=1
  2. 還原兩參數。

    a2=1, b2=4a^2=1,\ b^2=4

x²−y²/4=1。

檢查與易錯點:漸近線決定形狀,但不決定大小;還需要一點。

推理清單・自評/教師評核
  • x²−y²/4=1。
  • 漸近線決定形狀,但不決定大小;還需要一點。

先思考,待同學準備好再展開提示。

13 / 遷移#獨立練習

兩焦點相距10。當距離差絕對值d分別為0、6、10、12時,分類軌跡。

F1=(−5,0), F2=(5,0)F_1=(-5,0),\ F_2=(5,0)
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
反三角不等式給d≤10。
提示 2
幾何分析兩個邊界。
完整解答
  1. 零差給垂直平分線;中間正差給雙曲線。

    d=0:x=0; d=6:x2/9−y2/16=1d=0:x=0;\ d=6:x^2/9-y^2/16=1
  2. 最大差出現在焦點外側射線;更大的差不可能。

    d=10:y=0,∣x∣≥5; d=12:∅d=10:y=0,|x|\ge5;\ d=12:\varnothing

依次為直線、非退化雙曲線、兩外側射線、空集。

檢查與易錯點:非退化雙曲線的定義常數須滿足0<d<10。

推理清單・自評/教師評核
  • 依次為直線、非退化雙曲線、兩外側射線、空集。
  • 非退化雙曲線的定義常數須滿足0<d<10。

先思考,待同學準備好再展開提示。

專注一道題目

課末檢核與訂正

回看最近核對的答案及解釋;改動草稿後須重新核對。書面推理需要自評或教師評核。

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    教師備課與評核

    40 分鐘教案

    分鐘環節教師及學生任務
    5預測與診斷在兩頂點判斷焦距差符號。
    8概念推導推導並畫水平及垂直方向的漸近線。
    10引導應用計算曲線點並檢查漸近線是否相交。
    12遷移與解釋分類平移直線及焦距差的邊界情況。
    5離堂證據解釋單交點為何不足以證明相切。

    提問順序

    • 右支上哪一焦點較遠?
    • 直線能否只有一交點卻不相切?

    板書發展

    • 列表比較絕對差0、介乎0與2c、等於2c及大於2c。
    • 先代入y=x+k,然後才考慮判別式。

    預期正誤回答

    • 二次項消失後學生仍令判別式零;先圈出實際首項係數。
    • 正確作答:「二次係數相消,所以一交點不一定是相切。」
    • 錯誤作答:「直線只有一交點就一定相切。」

    追問

    • 平行線截距趨近零時,唯一交點如何移動?

    補救

    • 用頂點判定哪個有符號焦距差為正。

    離堂檢核

    • 寫一條只有一交點但不相切的直線,解釋方程降次。

    評核清單與作答示例

    • 要求分支符號、標準式參數及獨立的相切理由。示例:代入y=x+1得−2x−1=1,故x=−1;此一次式本身不能推出相切。
      正確作答:「二次係數相消,所以一交點不一定是相切。」

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    教材與來源說明 ↗