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高考数学第一轮复习第九章 §9.10 圆锥曲线中范围与最值问题
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例1 已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)经过点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(3),2))),且短轴的两个端点与右焦点构成等边三角形.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设过点M(1,0)的直线l交椭圆C于A,B两点,求|MA|·|MB|的取值范围.
解 (1)由题意,椭圆短轴的两个端点与右焦点构成等边三角形,
故c=eq \r(3)b,a=eq \r(b2+c2)=2b,
即椭圆C:eq \f(x2,4b2)+eq \f(y2,b2)=1,
代入Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(3),2))),
可得b=1,a=2.
故椭圆C的方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)分以下两种情况讨论:
①若直线l与x轴重合,
则|MA|·|MB|=(a-1)(a+1)=a2-1=3;
②若直线l不与x轴重合,
设直线l的方程为x=my+1,
设点A(x1,y1),B(x2,y2),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+1,,\f(x2,4)+y2=1,))消去x可得(m2+4)y2+2my-3=0,
则Δ=4m2+12(m2+4)=16(m2+3)>0恒成立,
由根与系数的关系可得y1+y2=-eq \f(2m,m2+4),y1y2=-eq \f(3,m2+4),
由弦长公式可得|MA|·|MB|=eq \r(1+m2)·|y1|·eq \r(1+m2)·|y2|
=(1+m2)·|y1y2|
=eq \f(31+m2,m2+4)
=eq \f(3m2+4-9,m2+4)
=3-eq \f(9,m2+4),
因为m2+4≥4,则0
综上所述,|MA|·|MB|的取值范围是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(3,4),3)).
教师备选
(2022·武汉调研)过双曲线Γ:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左焦点F1的动直线l与Γ的左支交于A,B两点,设Γ的右焦点为F2.
(1)若△ABF2可以是边长为4的正三角形,求此时Γ的标准方程;
(2)若存在直线l,使得AF2⊥BF2,求Γ的离心率的取值范围.
解 (1)依题意得|AF1|=2,|AF2|=4,
|F1F2|=2eq \r(3).
∴2a=|AF2|-|AF1|=2,a=1,
2c=|F1F2|=2eq \r(3),c=eq \r(3),b2=c2-a2=2,
此时Γ的标准方程为x2-eq \f(y2,2)=1.
(2)设l的方程为x=my-c,与eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1联立,
得(b2m2-a2)y2-2b2cmy+b4=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则y1+y2=eq \f(2b2cm,b2m2-a2),y1y2=eq \f(b4,b2m2-a2),
由AF2⊥BF2,eq \(F2A,\s\up6(—→))·eq \(F2B,\s\up6(—→))=0,
(x1-c)(x2-c)+y1y2=0,
(my1-2c)(my2-2c)+y1y2=0
⇒(m2+1)b4-4m2c2b2+4c2(b2m2-a2)=0
⇒(m2+1)b4=4a2c2
⇒(m2+1)=eq \f(4a2c2,b4)≥1
⇒4a2c2≥(c2-a2)2,
∴c4+a4-6a2c2≤0⇒e4-6e2+1≤0,
又∵e>1,∴1
∴y1y2<0,
eq \f(b4,b2m2-a2)<0⇒m2
综上所述,eq \r(5)
(1)利用圆锥曲线的几何性质或判别式构造不等关系,从而确定参数的取值范围.
(2)利用已知参数的范围,求新参数的范围,解决这类问题的核心是建立两个参数之间的等量关系.
(3)利用隐含的不等关系建立不等式,从而求出参数的取值范围.
(4)利用已知的不等关系构造不等式,从而求出参数的取值范围.
(5)利用求函数值域的方法将待求量表示为其他变量的函数,求其值域,从而确定参数的取值范围.
跟踪训练1 从抛物线C1:x2=2py(p>0)和椭圆C2:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)上各取两点,将其坐标记录于下表中:
(1)求抛物线C1和椭圆C2的方程;
(2)抛物线C1和椭圆C2的交点记为A,B,点M为椭圆上任意一点,求eq \(MA,\s\up6(→))·eq \(MB,\s\up6(→))的取值范围.
解 (1)∵C1:x2=2py(p>0),
当y≠0时,eq \f(x2,y)=2p,
根据表格的数据验证,可知eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-3,\f(9,4))),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(1,4)))满足方程x2=2py,
解得p=2,得抛物线C1的方程为x2=4y.
将(0,eq \r(2)),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(5),\f(\r(3),2)))代入椭圆C2:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)可得a2=8,b2=2,
即椭圆C2的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,2)=1.
(2)由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2=4y,,x2+4y2-8=0,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1=-2,,y1=1))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2=2,,y1=1,))不妨令A(-2,1),B(2,1).
设M(x0,y0)是C2:eq \f(x2,8)+eq \f(y2,2)=1上的动点,
则xeq \\al(2,0)=8-4yeq \\al(2,0)≥0.
即得-eq \r(2)≤y0≤eq \r(2).
于是有eq \(MA,\s\up6(→))·eq \(MB,\s\up6(→))=(-2-x0,1-y0)·(2-x0,1-y0)
=xeq \\al(2,0)+yeq \\al(2,0)-2y0-3
=-3yeq \\al(2,0)-2y0+5=-3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y0+\f(1,3)))2+eq \f(16,3).
∵-eq \r(2)≤y0≤eq \r(2).
即-1-2eq \r(2)≤-3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y0+\f(1,3)))2+eq \f(16,3)≤eq \f(16,3).
于是-1-2eq \r(2)≤eq \(MA,\s\up6(→))·eq \(MB,\s\up6(→))≤eq \f(16,3).
故eq \(MA,\s\up6(→))·eq \(MB,\s\up6(→))的取值范围是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-1-2\r(2),\f(16,3))).
题型二 最值问题
例2 (2022·金昌模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)过点Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-1,\f(\r(2),2))),短轴长为2.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点(0,2)的直线l(直线l不与x轴垂直)与椭圆C交于不同的两点M,N,且O为坐标原点.求△MON的面积的最大值.
解 (1)依题意得eq \f(-12,a2)+eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2)))2,b2)=1,而b=1,
则eq \f(1,a2)+eq \f(1,2)=1⇒eq \f(1,a2)=1-eq \f(1,2)=eq \f(1,2)⇒a2=2,
所以椭圆C的标准方程为eq \f(x2,2)+y2=1.
(2)因为直线l不与x轴垂直,则l的斜率k存在,
l的方程为y=kx+2,
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+2,,\f(x2,2)+y2=1,))
得(2k2+1)x2+8kx+6=0,
因为直线l与椭圆C交于不同的两点M,N,
则有Δ=(8k)2-4·(2k2+1)·6
=16k2-24>0⇒k2>eq \f(3,2),
即k<-eq \f(\r(6),2)或k>eq \f(\r(6),2),
设点M(x1,y1),N(x2,y2),
则x1+x2=-eq \f(8k,2k2+1),
x1x2=eq \f(6,2k2+1),
所以|MN|=eq \r(1+k2)·|x1-x2|
=eq \r(1+k2)·eq \r(x1+x22-4x1x2)
=eq \r(1+k2)·eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(8k,2k2+1)))2-4·\f(6,2k2+1))
=eq \r(1+k2)·eq \r(\f(82k2-3,2k2+12))
=eq \r(1+k2)·eq \f(2\r(2)·\r(2k2-3),2k2+1),
而原点O到直线l:kx-y+2=0的距离d=eq \f(2,\r(k2+1)),△MON的面积S=eq \f(1,2)·|MN|·d
=eq \f(1,2)·eq \r(1+k2)·eq \f(2\r(2)·\r(2k2-3),2k2+1)·eq \f(2,\r(k2+1))
=eq \f(2\r(2)·\r(2k2-3),2k2+1),
令t=eq \r(2k2-3)⇒2k2=t2+3(t>0),
S=eq \f(2\r(2)t,t2+4)=eq \f(2\r(2),t+\f(4,t)),
因为t+eq \f(4,t)≥2eq \r(t·\f(4,t))=4,
当且仅当t=eq \f(4,t),即t=2时取“=”,此时k2=eq \f(7,2),
即k=±eq \f(\r(14),2),符合要求,
从而有S≤eq \f(2\r(2),4)=eq \f(\r(2),2),
故当k=±eq \f(\r(14),2)时,
△MON的面积的最大值为eq \f(\r(2),2).
教师备选
(2022·厦门模拟)设椭圆Γ:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的离心率为eq \f(\r(3),2),点A,B,C分别为Γ的上、左、右顶点,且|BC|=4.
(1)求Γ的标准方程;
(2)点D为直线AB上的动点,过点D作l∥AC,设l与Γ的交点为P,Q,求|PD|·|QD|的最大值.
解 (1)由题意得2a=|BC|=4,解得a=2.
又因为e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(3),2),
所以c=eq \r(3),则b2=a2-c2=1.
所求Γ的标准方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)方法一 由(1)可得A(0,1),B(-2,0),C(2,0),
则kAC=-eq \f(1,2),
直线AB的方程为x-2y+2=0,
设直线l的方程为y=-eq \f(1,2)x+λ.
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-\f(1,2)x+λ,,\f(x2,4)+y2=1,))消去y,
整理得,x2-2λx+2λ2-2=0.①
由Δ>0,得-eq \r(2)<λ
解得D的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(λ-1,\f(λ+1,2))),
设P(x1,y1),Q(x2,y2),
由①知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=2λ,,x1x2=2λ2-2,))②
又|PD|=eq \f(\r(5),2)|x1-(λ-1)|,
|QD|=eq \f(\r(5),2)|x2-(λ-1)|,
所以|PD|·|QD|=eq \f(5,4)|x1x2-(λ-1)(x1+x2)+(λ-1)2|,③
将②代入③,
得|PD|·|QD|=eq \f(5,4)|λ2-1| ,λ∈(-eq \r(2),eq \r(2)),
所以当λ=0时,|PD|·|QD|有最大值eq \f(5,4).
方法二 设eq \(AD,\s\up6(→))=λeq \(AB,\s\up6(→))=λ(-2,-1)
=(-2λ,-λ),
则D(-2λ,1-λ),
由点斜式,可得直线l的方程为
y-(1-λ)=-eq \f(1,2)(x+2λ),
即y=-eq \f(1,2)x-2λ+1.
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-\f(1,2)x-2λ+1,,\f(x2,4)+y2=1,))
消去y,得x2+(4λ-2)x+8λ2-8λ=0,①
由Δ=(4λ-2)2-4×(8λ2-8λ)>0,
解得eq \f(1-\r(2),2)<λ
由①得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=2-4λ,,x1x2=8λ2-8λ,))②
由题意可知|PD|=eq \f(\r(5),2)|x1+2λ|,
|QD|=eq \f(\r(5),2)|x2+2λ|,
所以|PD|·|QD|=eq \f(5,4)|x1x2+2λ(x1+x2)+4λ2|,③
将②代入③得|PD|·|QD|=eq \f(5,4)|4λ2-4λ|
=5|λ2-λ|,
当λ=eq \f(1,2)时,|PD|·|QD|有最大值eq \f(5,4).
思维升华 圆锥曲线中最值的求法
(1)几何法:若题目的条件和结论能明显体现几何特征及意义,则考虑利用图形性质来解决.
(2)代数法:若题目的条件和结论能体现一种明确的函数,则可首先建立目标函数,再求这个函数的最值,求函数最值的常用方法有配方法、判别式法、基本不等式法及函数的单调性法等.
跟踪训练2 如图所示,点A,B分别是椭圆eq \f(x2,36)+eq \f(y2,20)=1长轴的左、右端点,点F是椭圆的右焦点,点P在椭圆上,且位于x轴上方,PA⊥PF.
(1)求点P的坐标;
(2)设M是椭圆长轴AB上的一点,点M到直线AP的距离等于|MB|,求椭圆上的点到点M的距离d的最小值.
解 (1)由已知可得点A(-6,0),F(4,0),
设点P的坐标是(x,y),
则eq \(AP,\s\up6(→))=(x+6,y),eq \(FP,\s\up6(→))=(x-4,y),
∵PA⊥PF,∴eq \(AP,\s\up6(→))·eq \(FP,\s\up6(→))=0,
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,36)+\f(y2,20)=1,,x+6x-4+y2=0,))
可得2x2+9x-18=0,得x=eq \f(3,2)或x=-6.
由于y>0,故x=eq \f(3,2),于是y=eq \f(5\r(3),2).
∴点P的坐标是eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,2),\f(5\r(3),2))).
(2)由(1)可得直线AP的方程是x-eq \r(3)y+6=0,
点B(6,0).
设点M的坐标是(m,0),则点M到直线AP的距离是eq \f(|m+6|,2),于是eq \f(|m+6|,2)=|m-6|,
又-6≤m≤6,解得m=2.
由椭圆上的点(x,y)到点M的距离为d,
得d2=(x-2)2+y2=x2-4x+4+20-eq \f(5,9)x2
=eq \f(4,9)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(9,2)))2+15,
由于-6≤x≤6,
由f(x)=eq \f(4,9)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(9,2)))2+15的图象(图略)可知,
当x=eq \f(9,2)时,d取最小值,且最小值为eq \r(15).
课时精练
1.已知双曲线C的焦点F(eq \r(3),0),双曲线C上一点B到F的最短距离为eq \r(3)-eq \r(2).
(1)求双曲线的标准方程和渐近线方程;
(2)已知点M(0,1),设P是双曲线C上的点,Q是P关于原点的对称点.设λ=eq \(MP,\s\up6(→))·eq \(MQ,\s\up6(→)),求λ的取值范围.
解 (1)设双曲线的方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0),
∵双曲线C的焦点F(eq \r(3),0),双曲线C上一点B到F的最短距离为eq \r(3)-eq \r(2),
∴c=eq \r(3),c-a=eq \r(3)-eq \r(2),
∴a=eq \r(2),
∴b2=c2-a2=(eq \r(3))2-(eq \r(2))2=1,
则双曲线的方程为eq \f(x2,2)-y2=1,
渐近线方程为y=±eq \f(\r(2),2)x.
(2)设P点坐标为(x0,y0),
则Q点坐标为(-x0,-y0),
∴λ=eq \(MP,\s\up6(→))·eq \(MQ,\s\up6(→))=(x0,y0-1)·(-x0,-y0-1)=-xeq \\al(2,0)-yeq \\al(2,0)+1
=-eq \f(3,2)xeq \\al(2,0)+2.
∵|x0|≥eq \r(2),
∴λ的取值范围是(-∞,-1].
2.(2022·阳泉模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率为eq \f(\r(2),2),P是椭圆C上的一个动点,当P是椭圆C的上顶点时,△F1PF2的面积为1.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设斜率存在的直线PF2,与椭圆C的另一个交点为Q.若存在T(t,0),使得|TP|=|TQ|,求t的取值范围.
解 (1)由题意可知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(c,a)=\f(\r(2),2),,\f(1,2)·b·2c=1,,b2+c2=a2,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=\r(2),,b=1,,c=1,))
故椭圆C的方程为eq \f(x2,2)+y2=1.
(2)设P(x1,y1),Q(x2,y2),线段PQ的中点为N(x0,y0),直线PF2的斜率为k,
由(1)设直线PQ的方程为y=k(x-1).
当k=0时,t=0符合题意;
当k≠0时,联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx-1,,\f(x2,2)+y2=1,))
得(1+2k2)x2-4k2x+2k2-2=0,
∴Δ=16k4-4(1+2k2)(2k2-2)=8k2+8>0,
x1+x2=eq \f(4k2,1+2k2),
∴x0=eq \f(x1+x2,2)=eq \f(2k2,1+2k2),
y0=k(x0-1)=eq \f(-k,1+2k2),
即Neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2k2,1+2k2),\f(-k,1+2k2))).
∵|TP|=|TQ|,
∴直线TN为线段PQ的垂直平分线,
∴TN⊥PQ,即kTN·k=-1.
∴eq \f(\f(-k,1+2k2),\f(2k2,1+2k2)-t)·k=-1,
∴t=eq \f(k2,1+2k2)=eq \f(1,2+\f(1,k2)).
∵k2>0,∴eq \f(1,k2)>0 ,2+eq \f(1,k2)>2,
∴0
3.(2021·北京)已知椭圆E:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)过点A(0,-2),以四个顶点围成的四边形面积为4eq \r(5).
(1)求椭圆E的标准方程;
(2)过点P(0,-3)的直线l斜率为k,交椭圆E于不同的两点B,C,直线AB,AC交y=-3于点M,N,若|PM|+|PN|≤15,求k的取值范围.
解 (1)因为椭圆过A(0,-2),故b=2,
因为四个顶点围成的四边形的面积为4eq \r(5),
故eq \f(1,2)×2a×2b=4eq \r(5),即a=eq \r(5),
故椭圆的标准方程为eq \f(x2,5)+eq \f(y2,4)=1.
(2)设B(x1,y1),C(x2,y2),
因为直线BC的斜率存在,故x1x2≠0,
故直线AB:y=eq \f(y1+2,x1)x-2,令y=-3,则xM=-eq \f(x1,y1+2),
同理xN=-eq \f(x2,y2+2).
直线BC:y=kx-3,由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx-3,,4x2+5y2=20,))
可得(4+5k2)x2-30kx+25=0,
故Δ=900k2-100(4+5k2)>0,
解得k<-1或k>1.
又x1+x2=eq \f(30k,4+5k2),x1x2=eq \f(25,4+5k2),
故x1x2>0,所以xMxN>0.
又|PM|+|PN|=|xM+xN|
=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(x1,y1+2)+\f(x2,y2+2)))=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(x1,kx1-1)+\f(x2,kx2-1)))
=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(2kx1x2-x1+x2,k2x1x2-kx1+x2+1)))
=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(\f(50k,4+5k2)-\f(30k,4+5k2),\f(25k2,4+5k2)-\f(30k2,4+5k2)+1)))=5|k|,
故5|k|≤15,即|k|≤3,
综上,-3≤k<-1或1
(1)求证:直线BC过定点;
(2)若eq \(MB,\s\up6(→))·eq \(MC,\s\up6(→))≥2,求|AD|·|AO|的最小值.
(1)证明 由题意知,抛物线E:x2=-2y,
则y=-eq \f(1,2)x2,可得y′=-x,
设A(2t,-2t2)(t>0),则kAM=-2t,
所以lAM:y+2t2=-2t(x-2t),
即y=-2tx+2t2,所以M(t,0),
又kOA=eq \f(-2t2,2t)=-t,所以kBC=eq \f(1,t),
所以lBC:y-0=eq \f(1,t)(x-t),即y=eq \f(1,t)x-1,
所以直线BC过定点(0,-1).
(2)解 联立方程eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=\f(1,t)x-1,,x2=-2y,))
整理得x2+eq \f(2,t)x-2=0,设B(x1,y1),C(x2,y2),
则x1+x2=-eq \f(2,t),x1x2=-2,
则eq \(MB,\s\up6(→))·eq \(MC,\s\up6(→))=(x1-t,y1)·(x2-t,y2)
=(x1-t)(x2-t)+y1y2
=x1x2-t(x1+x2)+t2+eq \f(1,4)xeq \\al(2,1)xeq \\al(2,2)=1+t2≥2,
所以t2≥1,
又由|AD|=eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)·2t+2t2-1)),\r(1+\f(1,t2)))=eq \f(2t2+1,\r(t2+1))·t,
|AO|=eq \r(2t2+-2t22)=2teq \r(1+t2),
所以|AD|·|AO|=eq \f(2t2+1,\r(t2+1))·t·2t·eq \r(1+t2)
=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2t2+\f(1,2)))2-eq \f(1,4),
因为2t2≥2,所以当2t2=2,即t=1时,
|AD|·|AO|的最小值是6.x
-3
0
1
eq \r(5)
y
eq \f(9,4)
eq \r(2)
eq \f(1,4)
eq \f(\r(3),2)
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