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直线与抛物线相交弦长

时间:2026-04-01 17:16:32

我们来讨论 直线与抛物线相交弦的长度问题,并给出一般性的解法。

一、问题背景

设抛物线为:

$$ y = ax^2 + bx + c $$

设直线为:

$$ y = mx + n $$

两者的交点为 $ x $ 满足:

$$ ax^2 + bx + c = mx + n $$

整理得:

$$ ax^2 + (b - m)x + (c - n) = 0 $$

这是一个关于 $ x $ 的二次方程,设其两个根为 $ x_1 $ 和 $ x_2 $,则:

$$ x_1 + x_2 = \frac{m - b}{a}, \quad x_1 x_2 = \frac{c - n}{a} $$

二、弦长的计算

两点之间的距离公式为:

$$ \text{弦长} = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2} $$

由于 $ y = mx + n $,所以:

$$ y_2 - y_1 = m(x_2 - x_1) $$

代入:

$$ \text{弦长} = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (m(x_2 - x_1))^2} = \sqrt{(1 + m^2)(x_2 - x_1)^2} $$

$$ = \sqrt{1 + m^2} \cdot |x_2 - x_1| $$

而 $ |x_2 - x_1| = \sqrt{(x_1 + x_2)^2 - 4x_1 x_2} $

所以:

$$ \text{弦长} = \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{(x_1 + x_2)^2 - 4x_1 x_2} $$

代入 $ x_1 + x_2 = \frac{m - b}{a} $,$ x_1 x_2 = \frac{c - n}{a} $:

$$ \text{弦长} = \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{\left( \frac{m - b}{a} \right)^2 - 4 \cdot \frac{c - n}{a}} $$

$$ = \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{ \frac{(m - b)^2 - 4(c - n)}{a^2} } $$

$$ = \sqrt{1 + m^2} \cdot \frac{ \sqrt{(m - b)^2 - 4(c - n)} }{ |a| } $$

三、总结公式

设抛物线为 $ y = ax^2 + bx + c $,直线为 $ y = mx + n $,则弦长为:

$$ \text{弦长} = \frac{ \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{(m - b)^2 - 4(c - n)} }{ |a| } $$

四、特殊情况

  1. 当抛物线为标准抛物线(如 $ y = x^2 $),则 $ a = 1 $,公式简化为:

$$ \text{弦长} = \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{(m - b)^2 - 4(c - n)} $$

  1. 当直线与抛物线相切(即判别式为 0),则弦长为 0。

五、示例

设抛物线为 $ y = x^2 $,直线为 $ y = x + 1 $,求交点间弦长。

代入得:

$$ x^2 = x + 1 \Rightarrow x^2 - x - 1 = 0 $$

根为:

$$ x_1 = \frac{1 + \sqrt{5}}{2}, \quad x_2 = \frac{1 - \sqrt{5}}{2} $$

弦长为:

$$ \sqrt{1 + 1^2} \cdot \sqrt{(1 - 1)^2 - 4(-1)} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{4} = \sqrt{2} \cdot 2 = 2\sqrt{2} $$

六、结论

直线与抛物线相交弦的长度公式为:

$$ \boxed{ \text{弦长} = \frac{ \sqrt{1 + m^2} \cdot \sqrt{(m - b)^2 - 4(c - n)} }{ |a| } } $$

如果你有具体的抛物线和直线参数,我可以帮你代入计算。