2023高考数学二轮专题 微专题28 解析几何中优化运算的方法
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这是一份2023高考数学二轮专题 微专题28 解析几何中优化运算的方法,共24页。
微专题28 解析几何中优化运算的方法1.焦点三角形的面积(1)设P点是椭圆+=1(a>b>0)上异于长轴端点的任一点,F1,F2为其焦点,记∠F1PF2=θ,△PF1F2的面积记为S△PF1F2,则S△PF1F2=b2tan .(2)设P点是双曲线-=1(a>0,b>0)上异于实轴端点的任一点,F1,F2为其焦点,记∠F1PF2=θ,△PF1F2的面积记为S△PF1F2,则S△PF1F2=.2.中心弦的性质设A,B为圆锥曲线关于原点对称的两点,P为该曲线上异于A,B的点.(1)若圆锥曲线为椭圆+=1(a>b>0),则kPAkPB=-=e2-1.(2)若圆锥曲线为双曲线-=1(a>0,b>0),则kPAkPB==e2-1.3.中点弦的性质设圆锥曲线以M(x0,y0)(y0≠0)为中点的弦AB所在的直线的斜率为k.(1)若圆锥曲线为椭圆+=1(a>b>0),则kAB=-,kAB·kOM=-=e2-1.(2)若圆锥曲线为双曲线-=1(a>0,b>0),则kAB=,kAB·kOM==e2-1.(3)若圆锥曲线为抛物线y2=2px(p>0),则kAB=.4.圆锥曲线的切线方程设M(x0,y0)为圆锥曲线上的点,(1)若圆锥曲线为椭圆+=1(a>b>1),则椭圆在M处的切线方程为+=1.(2)若圆锥曲线为双曲线-=1(a>0,b>0),则双曲线在M处的切线方程为-=1.(3)若圆锥曲线为抛物线y2=2px(p>0),则抛物线在M处的切线方程为y0y=p(x+x0).5.与抛物线的焦点弦有关的二级结论过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F倾斜角为θ的直线交抛物线于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则(1)x1x2=,y1y2=-p2;(2)两焦半径长为,;(3)+=;(4)|AB|=,S△AOB=.类型一 优化运算的基本途径途径1 回归定义当题目条件涉及圆锥曲线的焦点时,要考虑利用圆锥曲线的定义表示直线与圆锥曲线相交所得的弦长.例1 已知抛物线C:y2=3x的焦点为F,斜率为的直线l与C的交点为A,B,与x轴的交点为P.若|AF|+|BF|=4,求l的方程.解 设直线l:y=x+t,A(x1,y1),B(x2,y2).由题设得F,故结合抛物线的定义可得|AF|+|BF|=x1+x2+.由题设可得x1+x2=.由可得9x2+12(t-1)x+4t2=0,则x1+x2=-,从而-=,解得t=-,所以直线l的方程为y=x-.途径2 设而不求在解决直线与圆锥曲线的相关问题时,通过设点的坐标,应用“点差法”或借助根与系数的关系来进行整体处理,设而不求,避免方程组的复杂求解,简化运算.例2 已知点M到点F(3,0)的距离比它到直线l:x+5=0的距离小2.(1)求点M的轨迹E的方程;(2)过点P(m,0)(m>0)作互作垂直的两条直线l1,l2,它们与(1)中轨迹E分别交于点A,B及点C,D,且G,H分别是线段AB,CD的中点,求△PGH面积的最小值.解 (1)由题意知,点M到点F(3,0)的距离与到直线l′:x+3=0的距离相等,结合抛物线的定义,可知轨迹E是以F(3,0)为焦点,以直线l′:x+3=0为准线的抛物线,则知=3,解得p=6,故M的轨迹E的方程为y2=12x.(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),则有y=12x1,y=12x2,以上两式作差,并整理可得==.即kAB=,同理可得kCD=,易知直线l1,l2的斜率存在且均不为0,又由于l1⊥l2,可得kAB·kCD==-1,即yGyH=-36,所以S△PGH=|PG|·|PH|=·|yG| ·|yH|=18≥18=18=36,当且仅当|kAB|=|kCD|=1时,等号成立,故△PGH面积的最小值为36.途径3 换元引参结合解决问题的需要,根据题目条件引入适当的参数或相应的参数方程,巧妙转化相应的解析几何问题,避开复杂的运算.例3 设椭圆+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A,B,点P在椭圆上且异于A,B两点,O为坐标原点.若|AP|=|OA|,证明直线OP的斜率k满足|k|>.证明 法一 设P(acos θ,bsin θ)(0≤θ<2π),则线段OP的中点Q的坐标为.|AP|=|OA|⇔AQ⊥OP⇔kAQ×k=-1.又A(-a,0),所以kAQ=,即bsin θ-akAQcos θ=2akAQ.2akAQ=sin(θ-α),tan θ=,从而可得|2akAQ|≤<a,解得|kAQ|<,故|k|=>.法二 依题意,直线OP的方程为y=kx,可设点P的坐标为(x0,kx0).由点P在椭圆上,得+=1.因为a>b>0,kx0≠0,所以+<1,即(1+k2)x<a2.①由|AP|=|OA|及A(-a,0),得(x0+a)2+k2x=a2,整理得(1+k2)x+2ax0=0,于是x0=,代入①,得(1+k2)·<a2,解得k2>3,所以|k|>.法三 依题意,直线OP的方程为y=kx,设点P的坐标为(x0,y0).联立消去y0并整理,得x=.①由|AP|=|OA|,A(-a,0)及y0=kx0,得(x0+a)2+k2x=a2,整理得(1+k2)x+2ax0=0.而x0≠0,于是x0=,代入①,整理得(1+k2)2=4k2+4.又a>b>0,故(1+k2)2>4k2+4,即k2+1>4,因此k2>3,所以|k|>.训练1 (1)(2022·杭州质检)如图,F1,F2是椭圆C1:+y2=1与双曲线C2的公共焦点,A,B分别是C1,C2在第二、四象限的公共点.若四边形AF1BF2为矩形,则C2的离心率是( )A. B. C. D.(2)已知抛物线C:y2=2px(p>0)过点(1,-2),经过焦点F的直线l与抛物线C交于A,B两点,A在x轴的上方,Q(-1,0),若以QF为直径的圆经过点B,则|AF|-|BF|=( )A.2 B.2 C.2 D.4答案 (1)D (2)D解析 (1)由已知,得F1(-,0),F2(,0),设双曲线C2的实半轴长为a,由椭圆及双曲线的定义和已知,可得 解得a2=2,故a=,所以双曲线C2的离心率e==.(2)由于抛物线C:y2=2px(p>0)过点(1,-2),则有4=2p,解得p=2,设直线l的倾斜角为α∈,根据焦半径公式,可得|AF|=,|BF|=,由于以QF为直径的圆经过点B,则有BQ⊥BF,在Rt△QBF中,|BF|=2cos α,则有|BF|==2cos α,即1-cos2α=cos α,所以|AF|-|BF|=-===4,故选D.类型二 优化运算之二级结论的应用圆锥曲线中有很多的二级结论,应用这些结论能够迅速、准确地解题.应用1 椭圆中二级结论的应用例4 (1)A,B是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右顶点,M是椭圆上不同于A,B的任意一点,若直线AM,BM的斜率之积为-,则椭圆C的离心率为( )A. B. C. D.(2)已知椭圆方程为+y2=1,右焦点为F,上顶点为B.直线l与椭圆有唯一的公共点M,与y轴的正半轴交于N,过N与BF垂直的直线交x轴于点P.若MP∥BF,则直线l方程为________.答案 (1)D (2)x-y+=0解析 (1)椭圆上不同于A,B的任意一点与左、右顶点的斜率之积为-,∴-=-,∴=,∴椭圆的离心率e===.(2)设点M(x0,y0)为椭圆+y2=1上一点.由过点M与椭圆相切的结论,可设l:+y0y=1,在直线MN的方程中,令x=0,可得y=,由题意可知y0>0,即点N.直线BF的斜率为kBF=-=-,所以,直线PN的方程为y=2x+.在直线PN的方程中,令y=0,可得x=-,即点P.因为MP∥BF,则kMP=kBF,即==-,整理可得(x0+5y0)2=0,所以x0=-5y0.又因为+y=1,所以6y=1.因为y0>0,故y0=,x0=-,所以直线l的方程为-x+y=1,即x-y+=0.训练2 (1)已知椭圆E:+=1(a>b>0)的右焦点为F(3,0),过点F的直线交椭圆于A,B两点,若AB的中点坐标为(1,-1),则E的方程为( )A.+=1 B.+=1C.+=1 D.+=1(2)(2022·金华模拟)已知P是椭圆+=1(a>b>0)上一动点,F1,F2是椭圆的左、右焦点,当∠F1PF2=时,S△F1PF2=4;当线段PF1的中点落到y轴上时,tan∠F1PF2=,则椭圆的标准方程为( )A.+=1 B.+=1C.+=1 D.+=1答案 (1)D (2)A解析 (1)由题意知c=3,即a2-b2=9,AB的中点记为P(1,-1),由kAB·kOP=-,则(-1)×=-,∴a2=2b2,又a2-b2=9,∴a2=18,b2=9,∴E的方程为+=1.(2)设|PF1|=m,|PF2|=n,当∠F1PF2=时,由题意知S△F1PF2=b2tan, 即4=b2tan,所以b2=12.当线段PF1的中点落到y轴上时,又O为F1F2的中点,所以PF2∥y轴,即PF2⊥x轴.由tan∠F1PF2=,得=,即n=,则m=c,且n==.所以联立解得所以椭圆标准方程为+=1.应用2 双曲线中二级结论的应用例5 (1)已知双曲线E的中心为原点,F(3,0)是E的焦点,过F的直线l与E相交于A,B两点,且AB的中点为M(-12,-15),则E的方程为( )A.-=1 B.-=1C.-=1 D.-=1(2)已知P(1,1)是双曲线外一点,过P引双曲线x2-=1的两条切线PA,PB,A,B为切点,求直线AB的方程为________.答案 (1)B (2)2x-y-2=0解析 (1)由题意可知kAB==1,kMO==,由双曲线中点弦性质得kMO·kAB=,即=,又9=a2+b2,联立解得a2=4,b2=5,故双曲线的方程为-=1.(2)设切点A(x1,y1),B(x2,y2),则PA:x1x-=1,PB:x2x-=1,又点P(1,1)代入得x1-y1=1,x2-y2=1,∴点A(x1,y1),B(x2,y2)均在直线x-y=1上,∴过直线AB的方程为x-y=1,即2x-y-2=0.训练3 (1)已知双曲线-=1(a>0,b>0)的离心率为2,实轴的两个端点为A,B,点P为双曲线上不同于顶点的任一点,则直线PA与PB的斜率之积为________.(2)已知P是椭圆+=1(a1>b1>0)和双曲线-=1(a2>0,b2>0)的一个交点,F1,F2是椭圆和双曲线的公共焦点,e1,e2分别为椭圆和双曲线的离心率,若∠F1PF2=,则e1·e2的最小值为________.答案 (1)3 (2)解析 (1)由题意知=2,即=4,∴c2=4a2,∴a2+b2=4a2,∴b2=3a2,∴kPA·kPB==3.(2)因为点P为椭圆和双曲线的公共点,F1,F2是两曲线的公共焦点,则由焦点三角形的面积公式得S△PF1F2=btan=,化简得b=3b,即a-c2=3(c2-a),等式两边同除c2,得-1=3-,所以4=+≥,解得e1·e2≥,所以e1·e2的最小值为.应用3 抛物线中二级结论的应用例6 (1)(2022·泰州调研)已知F是抛物线C:y2=4x焦点,过点F作两条相互垂直的直线l1,l2,直线l1与C相交于A,B两点,直线l2与C相交于D,E两点,则|AB|+|DE|的最小值为( )A.16 B.14 C.12 D.10(2)已知直线l经过抛物线y2=4x的焦点F,且与抛物线交于A,B两点(点A在第一象限),若=4,则△AOB的面积为( )A. B. C. D.答案 (1)A (2)B解析 (1)如图,设直线l1的倾斜角为θ,θ∈,则直线l2的倾斜角为+θ,由抛物线的焦点弦弦长公式知|AB|==,|DE|==,∴|AB|+|DE|=+=≥=16,当且仅当sin2θ=cos2θ,即sin θ=cos θ,即θ=时取“=”.(2)由题意知=3,设l的倾斜角为θ,则|AF|=,|BF|=,∴=3,cos θ=,sin θ=,S===.训练4 (1)已知抛物线y2=4x的焦点为F,过焦点F的直线交抛物线于A,B两点,O为坐标原点,若△AOB的面积为2,则|AB|=( )A.24 B.8 C.12 D.16(2)已知抛物线y2=4x的焦点为F,过点F的直线l交抛物线于M,N两点,且|MF|=2|NF|,则直线l的斜率为( )A.± B.±2 C.± D.±答案 (1)A (2)B解析 (1)由题意知p=2,S△AOB==2,∴sin θ=,∴|AB|==24.(2)由抛物线的焦点弦的性质知+==1,又|MF|=2|NF|,解得|NF|=,|MF|=3,∴|MN|=,设直线l的倾斜角为θ,∴k=tan θ,又|MN|=,∴=,∴sin2θ=,∴cos2θ=,∴tan2θ=8,∴tan θ=±2,故k=±2.一、基本技能练1.设F为抛物线C:y2=3x的焦点,过F且倾斜角为30°的直线交C于A,B两点,O为坐标原点,则△AOB的面积为( )A. B. C. D.答案 D解析 抛物线C:y2=3x中,2p=3,p=,故S△OAB===.2.已知椭圆C:+=1的左、右顶点分别为A1,A2,点P在椭圆C上,且直线PA2的斜率的取值范围是[-2,-1],那么直线PA1的斜率的取值范围是( )A. B. C. D.答案 B解析 由周角定理得kPA1·kPA2=-=-,又kPA2∈[-2,-1],∴kPA1=∈.3.已知斜率为k(k>0)的直线l与抛物线C:y2=4x交于A,B两点,O为坐标原点,M是线段AB的中点,F是C的焦点,△OFM的面积等于3,则k=( )A. B. C. D.答案 B解析 设AB的中点M(x0,y0),由中点弦的性质得k=(y0≠0).由抛物线方程知p=2,所以k=,另焦点F(1,0),又S△OFM=3,可知×1×y0=3,所以y0=6,再代入k==.4.椭圆+=1上的点到直线x+2y-=0的最大距离是( )A.3 B. C.2 D.答案 D解析 设椭圆+=1上的点P(4cos θ,2sin θ),则点P到直线x+2y-=0的距离为d==,所以dmax==,故选D.5.已知点A(0,-),B(2,0),点P为函数y=2图象上的一点,则|PA|+|PB|的最小值为( )A.1+2 B.7C.3 D.不存在答案 B解析 由y=2,得-x2=1(y>0).设点A′(0,),即点A′(0,),A(0,-)为双曲线-x2=1的上、下焦点.由双曲线的定义得|PA|-|PA′|=4,则|PA|+|PB|=4+|PA′|+|PB|≥4+|BA′|=7,当且仅当B,P,A′共线时取等号,故选B.6.(2022·丽水调研)已知椭圆Г:+=1(a>b>0)的长轴长是短轴长的2倍,过右焦点F且斜率为k(k>0)的直线与Г相交于A,B两点,且=3,则k=( )A.1 B.2 C. D.答案 D解析 依题意a=2b,e==,因为=3,所以λ=3,设直线的倾斜角为α,则e=得=,|cos α|=,又k>0,∴α∈,得cos α=,所以k=tan α=.7.抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,过焦点F且倾斜角为的直线与抛物线相交于A,B两点,若|AB|=8,则抛物线的方程为________.答案 y2=2x解析 ∵|AB|===8p=8,∴p=1,∴抛物线的方程为y2=2x.8.已知点P为椭圆:+y2=1内一定点,经过点P引一条弦,使此弦被点P平分,则此弦所在的直线方程为________.答案 2x+4y-3=0解析 直线与椭圆交于A,B,P为AB中点.由kAB·kOP=-得kAB×1=-,即kAB=-,则直线方程为y-=-,即2x+4y-3=0.9.(2022·南京模拟)已知双曲线-=1(a>0,b>0),过原点的直线与双曲线交于A,B两点,以线段AB为直径的圆恰好过双曲线的右焦点F,若△ABF的面积为2a2,则双曲线的离心率为________.答案 解析 如图.设双曲线的左焦点为F′,连接AF′,BF′,因为以AB为直径的圆恰好过双曲线的右焦点F(c,0),所以S△AF′F=S△ABF=2a2且∠F′AF=∠θ=,根据双曲线焦点三角形面积公式,得S△AF′F=.所以2a2=b2,即=2,e==.10.(2022·武汉调研)已知双曲线C1:-=1(a1>0,b1>0)与C2:-=1(a2>0,b2>0)有相同的渐近线,若C1的离心率为2,则C2的离心率为________.答案 解析 设双曲线C1,C2的半焦距分别为c1,c2,因为C1的离心率为2,所以C1的渐近线方程为y=±x=±x=±x=±x,所以C2的渐近线方程为y=±x=±x,所以=,所以C2的离心率为==.11.已知椭圆C:+=1(a>b>0),直线l:y=kx+a,直线l与椭圆C交于M,N两点,与y轴交于点P,O为坐标原点.(1)若k=1,且N为线段MP的中点,求椭圆C的离心率;(2)若椭圆长轴的一个端点为Q(2,0),直线QM,QN与y轴分别交于A,B两点,当·=1时,求椭圆C的方程.解 (1)由题意知直线l:y=x+a与x轴交于点(-a,0),∴点M为椭圆C的左顶点,即M(-a,0).设N,代入椭圆C:+=1得+=1,即=,则e2==1-=,∴e=,即椭圆C的离心率e=.(2)由题意得a=2,∴椭圆C:b2x2+4y2=4b2(b>0),联立消去y得(4k2+b2)x2+16kx+16-4b2=0,∵直线QM:y=(x-2),∴A,=.∵yM=kxM+2,∴yM-2=kxM,即=,同理=,∴·==4-b2=1,即b2=3,∴椭圆C的标准方程为+=1.12.在平面直角坐标系xOy中,已知点F1(-,0),F2(,0),点M满足|MF1|-|MF2|=2.记M的轨迹为C.(1)求C的方程;(2)设点T在直线x=上,过T的两条直线分别交C于A,B两点和P,Q两点,且|TA|·|TB|=|TP|·|TQ|,求直线AB的斜率与直线PQ的斜率之和.解 (1)因为|MF1|-|MF2|=2<|F1F2|=2,所以点M的轨迹C是以F1,F2分别为左、右焦点的双曲线的右支.设双曲线的方程为-=1(a>0,b>0),半焦距为c,则2a=2,c=,得a=1,b2=c2-a2=16,所以点M的轨迹C的方程为x2-=1(x≥1).(2)设T,由题意可知直线AB,PQ的斜率均存在且不为零,设直线AB的方程为y-t=k1(k1≠0),直线PQ的方程为y-t=k2(k2≠0),由得(16-k)x2-2k1x--16=0.设A(xA,yA),B(xB,yB),由题意知16-k≠0,则xAxB=,xA+xB=,所以|TA|==,|TB|==,则|TA|·|TB|=(1+k)=(1+k)=(1+k)=.同理得|TP|·|TQ|=.因为|TA|·|TB|=|TP|·|TQ|,所以=,所以k-16+kk-16k=k-16+kk-16k,即k=k,又k1≠k2,所以k1=-k2,即k1+k2=0.故直线AB的斜率与直线PQ的斜率之和为0.二、创新拓展练13.(2022·广东四校联考)倾斜角为的直线经过双曲线C:-=1(a>0,b>0)的右焦点F,与双曲线C的右支交于A,B两点,且=λ(λ≥5),则双曲线C的离心率的范围是( )A. B.C.(1,2) D.答案 D解析 tan >⇒<⇒b2<3a2⇒c2-a2<3a2⇒c2<4a2,∴<4,即e<2;|ecos θ|=⇒===1-∈,即≤<1,故≤e<2.14.(多选)(2022·海南调研)已知斜率为的直线l经过抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点F,与抛物线C交于点A,B两点(点A在第一象限),与抛物线的准线交于点D,若|AB|=8,则以下结论正确的是( )A.+=1 B.|AF|=6C.|BD|=2|BF| D.F为AD中点答案 BCD解析 法一 如图,过点B作x=-的垂线,垂足为B′,F,直线l的斜率为,则直线l的方程为y=,联立得12x2-20px+3p2=0.解得xA=,xB=,由|AB|=|AF|+|BF|=xA+xB+p==8,得p=3.所以抛物线方程为y2=6x.则|AF|=xA+=2p=6,故B正确;所以|BF|=8-|AF|=2,|BD|===4,∴|BD|=2|BF|,故C正确;所以|AF|=|DF|=6,则F为AD中点,故D正确;而+=,故A错误.法二 设直线AB的倾斜角为θ,利用抛物线的焦点弦的性质,由|AB|==8,则p=3,|AF|==6,|BF|==2,+==,在Rt△DBB′中,cos θ=,所以|BD|=4,|DF|=|BF|+|BD|=6,因此F为AD中点.故选BCD.15.已知A,B是抛物线y2=4x上的两点,F是焦点,直线AF,BF的倾斜角互补,记AF,AB的斜率分别为k1,k2,则-=________.答案 1解析 F(1,0),设A(x1,y1),B(x2,y2),根据抛物线的对称性,且两直线的倾斜角互补,所以(x2,-y2)在直线AF上,直线AF:y=k1(x-1),代入y2=4x,化简可得kx2-(2k+4)x+k=0,根据韦达定理,可得又k2===,所以k===,故-=1.16.已知P是圆C:(x-2)2+(y+2)2=1上一动点,过点P作抛物线x2=8y的两条切线,切点分别为A,B,则直线AB斜率的最大值为________.答案 解析 由题意可知,PA,PB的斜率都存在,分别设为k1,k2,切点A(x1,y1),B(x2,y2),设P(m,n),过点P的抛物线的切线为y=k(x-m)+n,联立得x2-8kx+8km-8n=0,因为Δ=64k2-32km+32n=0,即2k2-km+n=0,所以k1+k2=,k1k2=,又由x2=8y得y′=,所以x1=4k1,y1==2k,x2=4k2,y2==2k,所以kAB====,因为点P(m,n)满足(x-2)2+(y+2)2=1,所以1≤m≤3,因此≤≤,即直线AB斜率的最大值为.17.已知点A为圆B:(x+2)2+y2=32上任意一点,定点C的坐标为(2,0),线段AC的垂直平分线交AB于点M.(1)求点M的轨迹方程;(2)若动直线l与圆O:x2+y2=相切,且与点M的轨迹交于点E,F,求证:以EF为直径的圆恒过坐标原点.(1)解 圆B的圆心为B(-2,0),半径r=4,|BC|=4.连接MC,由已知得|MC|=|MA|,∵|MB|+|MC|=|MB|+|MA|=|BA|=r=4>|BC|,∴由椭圆的定义知:点M的轨迹是中心在原点,以B,C为焦点,长轴长为4的椭圆,即a=2,c=2,b2=a2-c2=4,∴点M的轨迹方程为+=1.(2)证明 当直线EF的斜率不存在时,直线EF的方程为x=±,E,F的坐标分别为,或,,·=0.当直线EF斜率存在时,设直线EF的方程为y=kx+m,∵EF与圆O:x2+y2=相切,∴=,即3m2=8k2+8.设E(x1,y1),F(x2,y2),∴·=x1x2+y1y2=(1+k2)x1x2+km(x1+x2)+m2,(*)联立消去y得(1+2k2)x2+4kmx+2m2-8=0,∴x1+x2=-,x1x2=,代入(*)式得·=(1+k2)·-+m2=,又∵3m2=8k2+8,∴·=0,综上,以EF为直径的圆恒过定点O.
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