高考数学一轮复习考点探究与题型突破第51讲直线与椭圆的位置关系(原卷版+解析)
展开1.直线与椭圆的位置判断
将直线方程与椭圆方程联立,消去y(或x),得到关于x(或y)的一元二次方程,则直线与椭圆相交⇔Δ>0;直线与椭圆相切⇔Δ=0;直线与椭圆相离⇔Δ<0.
2.弦长公式
设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),
则|AB|=eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r(1+k2[x1+x22-4x1x2])
或|AB|=eq \r(1+\f(1,k2))|y1-y2|=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1+\f(1,k2)))[y1+y22-4y1y2]),k为直线斜率且k≠0.
常用结论
已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0).
(1)通径的长度为eq \f(2b2,a).
(2)过左焦点的弦AB,A(x1,y1),B(x2,y2),则焦点弦|AB|=2a+e(x1+x2);过右焦点弦CD,C(x3,y3),D(x4,y4),则焦点弦|CD|=2a-e(x3+x4).(e为椭圆的离心率)
(3)A1,A2为椭圆的长轴顶点,P是椭圆上异于A1,A2的任一点,则.
(4)AB是椭圆的不平行于对称轴的弦,O为原点,M 为AB的中点,则kOM·kAB=-eq \f(b2,a2).
(5)过原点的直线交椭圆于A,B两点,P是椭圆上异于A,B的任一点,则kPA·kPB=-eq \f(b2,a2).
(6)点P(x0,y0)在椭圆上,过点P的切线方程为eq \f(x0x,a2)+eq \f(y0y,b2)=1.
考点1 直线与椭圆的位置关系
[名师点睛]
1.判断直线l与圆锥曲线C的位置关系时,通常将直线l的方程Ax+By+C=0(A、B不同时为0)代入圆锥曲线C的方程F(x,y)=0.消去y(或x)得到一个关于变量x(或y)的方程ax2+bx+c=0(或ay2+by+c=0).
(1)当a≠0时,则Δ>0时,直线l与曲线C相交;Δ=0时,直线l与曲线C相切;Δ<0时,直线l与曲线C相离.
(2)当a=0时,即得到一个一次方程,则l与C相交,且只有一个交点,此时,若C为双曲线,则直线l与双曲线的渐近线平行;若C为抛物线,则直线l与抛物线的对称轴平行或重合.
2.对于过定点的直线,也可以通过定点在椭圆内部或椭圆上判定直线和椭圆有交点.
[典例]
已知直线l:y=2x+m,椭圆C:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,2)=1.试问当m取何值时,直线l与椭圆C:
(1)有两个不重合的公共点;
(2)有且只有一个公共点;
(3)没有公共点.
[举一反三]
1.若直线y=kx+1与椭圆eq \f(x2,5)+eq \f(y2,m)=1总有公共点,则m的取值范围是( )
A.m>1 B.m>0
C.0
A.相交 B.相切
C.相离 D.有3个公共点
考点2 弦长及中点弦问题
[名师点睛]
1.弦及弦中点问题的解决方法
(1)根与系数的关系:直线与椭圆或双曲线方程联立,消元,利用根与系数关系表示中点;
(2)点差法:利用弦两端点适合椭圆或双曲线方程,作差构造中点、斜率间的关系.若已知弦的中点坐标,可求弦所在直线的斜率.
2.弦长的求解方法
(1)当弦的两端点坐标易求时,可直接利用两点间的距离公式求解.
(2)当直线的斜率存在时,斜率为k的直线l与椭圆或双曲线相交于A(x1,y1),B(x2,y2)两个不同的点,则弦长公式的常见形式有如下几种:
①|AB|=eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r((1+k2)[(x1+x2)2-4x1x2]);
②|AB|=eq \r(1+\f(1,k2))|y1-y2|(k≠0)=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1+\f(1,k2)))[(y1+y2)2-4y1y2]).
[典例]
1.(2023·百校联盟开学考)在平面直角坐标系Oxy中,已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)过点P(2,1),且离心率e=eq \f(\r(3),2).
(1)求椭圆C的方程;
(2)直线l的斜率为eq \f(1,2),直线l与椭圆C交于A,B两点.若|AB|=eq \r(5),求直线l的方程.
2.已知直线l与椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1相交于A,B两点,且线段AB的中点P(1,1).
(1)求直线l的方程;
(2)求△OAB的面积.
[举一反三]
1.(2023·济宁模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1,过点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(1,2)))的直线交椭圆C于A,B两点,若P为AB的中点,则直线AB的方程为( )
A.3x-2y-2=0 B.3x+2y-4=0
C.3x+4y-5=0 D.3x-4y-1=0
2.已知椭圆E:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1的左、右焦点分别为F1,F2,过原点的直线l与E交于A,B两点,且AF1,BF2都与x轴垂直,则|AB|=________.
考点3 直线与椭圆的综合问题
[名师点睛]
1.求解直线与椭圆的综合问题的基本思想是方程思想,即根据题意,列出有关的方程,利用代数的方法求解.为减少计算量,在代数运算中,经常运用设而不求的方法.
2.直线方程的设法,根据题意,如果需要讨论斜率不存在的情况,则设直线方程为x=ty+m避免讨论;若所研究的直线的斜率存在,则可设直线方程为y=kx+b的形式;若包含平行于坐标轴的直线,则不要忘记斜率不存在的情况的讨论.
[典例]
已知P点坐标为(0,-2),点A,B分别为椭圆E:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右顶点,直线BP交E于点Q,△ABP是等腰直角三角形,且eq \(PQ,\s\up6(→))=eq \f(3,2)eq \(QB,\s\up6(→)).
(1)求椭圆E的方程;
(2)设过点P的动直线l与E相交于M,N两点,当坐标原点O位于以MN为直径的圆外时,求直线l斜率的取值范围.
[举一反三]
已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的离心率为eq \f(\r(3),2),短轴长为2.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点P(1,0)的直线l与椭圆C交于A,B两点,若△ABO的面积为eq \f(3,5)(O为坐标原点),求直线l的方程.
第51讲 直线与椭圆的位置关系
1.直线与椭圆的位置判断
将直线方程与椭圆方程联立,消去y(或x),得到关于x(或y)的一元二次方程,则直线与椭圆相交⇔Δ>0;直线与椭圆相切⇔Δ=0;直线与椭圆相离⇔Δ<0.
2.弦长公式
设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),
则|AB|=eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r(1+k2[x1+x22-4x1x2])
或|AB|=eq \r(1+\f(1,k2))|y1-y2|=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1+\f(1,k2)))[y1+y22-4y1y2]),k为直线斜率且k≠0.
常用结论
已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0).
(1)通径的长度为eq \f(2b2,a).
(2)过左焦点的弦AB,A(x1,y1),B(x2,y2),则焦点弦|AB|=2a+e(x1+x2);过右焦点弦CD,C(x3,y3),D(x4,y4),则焦点弦|CD|=2a-e(x3+x4).(e为椭圆的离心率)
(3)A1,A2为椭圆的长轴顶点,P是椭圆上异于A1,A2的任一点,则.
(4)AB是椭圆的不平行于对称轴的弦,O为原点,M 为AB的中点,则kOM·kAB=-eq \f(b2,a2).
(5)过原点的直线交椭圆于A,B两点,P是椭圆上异于A,B的任一点,则kPA·kPB=-eq \f(b2,a2).
(6)点P(x0,y0)在椭圆上,过点P的切线方程为eq \f(x0x,a2)+eq \f(y0y,b2)=1.
考点1 直线与椭圆的位置关系
[名师点睛]
1.判断直线l与圆锥曲线C的位置关系时,通常将直线l的方程Ax+By+C=0(A、B不同时为0)代入圆锥曲线C的方程F(x,y)=0.消去y(或x)得到一个关于变量x(或y)的方程ax2+bx+c=0(或ay2+by+c=0).
(1)当a≠0时,则Δ>0时,直线l与曲线C相交;Δ=0时,直线l与曲线C相切;Δ<0时,直线l与曲线C相离.
(2)当a=0时,即得到一个一次方程,则l与C相交,且只有一个交点,此时,若C为双曲线,则直线l与双曲线的渐近线平行;若C为抛物线,则直线l与抛物线的对称轴平行或重合.
2.对于过定点的直线,也可以通过定点在椭圆内部或椭圆上判定直线和椭圆有交点.
[典例]
已知直线l:y=2x+m,椭圆C:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,2)=1.试问当m取何值时,直线l与椭圆C:
(1)有两个不重合的公共点;
(2)有且只有一个公共点;
(3)没有公共点.
解 将直线l的方程与椭圆C的方程联立,
得方程组eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=2x+m, ①,\f(x2,4)+\f(y2,2)=1, ②))
将①代入②,整理得9x2+8mx+2m2-4=0.③
方程③根的判别式Δ=(8m)2-4×9×(2m2-4)=-8m2+144.
(1)当Δ>0,即-3eq \r(2)
(3)当Δ<0,即m<-3eq \r(2)或m>3eq \r(2)时,方程③没有实数根,可知原方程组没有实数解.这时直线l与椭圆C没有公共点.
[举一反三]
1.若直线y=kx+1与椭圆eq \f(x2,5)+eq \f(y2,m)=1总有公共点,则m的取值范围是( )
A.m>1 B.m>0
C.0
解析 法一 由于直线y=kx+1恒过点(0,1),
所以点(0,1)必在椭圆内或椭圆上,
则0
法二 由eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=kx+1,,mx2+5y2-5m=0,))
消去y整理得(5k2+m)x2+10kx+5(1-m)=0.
由题意知Δ=100k2-20(1-m)(5k2+m)≥0对一切k∈R恒成立,
即5mk2+m2-m≥0对一切k∈R恒成立,
由于m>0且m≠5,∴m≥1-5k2恒成立,
∴m≥1且m≠5.
2.(多选)直线y=kx-eq \r(2)k+eq \f(\r(6),2)与椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1的位置关系可能为( )
A.相交 B.相切
C.相离 D.有3个公共点
答案 AB
解析 直线y=kx-eq \r(2)k+eq \f(\r(6),2)=k(x-eq \r(2))+eq \f(\r(6),2)恒过定点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2),\f(\r(6),2))),又点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2),\f(\r(6),2)))在椭圆上,故直线与椭圆可能相交也可能相切.
考点2 弦长及中点弦问题
[名师点睛]
1.弦及弦中点问题的解决方法
(1)根与系数的关系:直线与椭圆或双曲线方程联立,消元,利用根与系数关系表示中点;
(2)点差法:利用弦两端点适合椭圆或双曲线方程,作差构造中点、斜率间的关系.若已知弦的中点坐标,可求弦所在直线的斜率.
2.弦长的求解方法
(1)当弦的两端点坐标易求时,可直接利用两点间的距离公式求解.
(2)当直线的斜率存在时,斜率为k的直线l与椭圆或双曲线相交于A(x1,y1),B(x2,y2)两个不同的点,则弦长公式的常见形式有如下几种:
①|AB|=eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r((1+k2)[(x1+x2)2-4x1x2]);
②|AB|=eq \r(1+\f(1,k2))|y1-y2|(k≠0)=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1+\f(1,k2)))[(y1+y2)2-4y1y2]).
[典例]
1.(2023·百校联盟开学考)在平面直角坐标系Oxy中,已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)过点P(2,1),且离心率e=eq \f(\r(3),2).
(1)求椭圆C的方程;
(2)直线l的斜率为eq \f(1,2),直线l与椭圆C交于A,B两点.若|AB|=eq \r(5),求直线l的方程.
解 (1)∵e2=eq \f(c2,a2)=eq \f(a2-b2,a2)=eq \f(3,4),
∴a2=4b2.
又椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)过点P(2,1),
∴eq \f(4,a2)+eq \f(1,b2)=1,
∴a2=8,b2=2.
故所求椭圆方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,2)=1.
(2)设l的方程为y=eq \f(1,2)x+m,
点A(x1,y1),B(x2,y2),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=\f(1,2)x+m,,\f(x2,8)+\f(y2,2)=1,))
整理,得x2+2mx+2m2-4=0.
∴Δ=4m2-8m2+16>0,解得|m|<2.
∴x1+x2=-2m,x1x2=2m2-4.
则|AB|=eq \r(1+\f(1,4))×eq \r(x1+x22-4x1x2)=eq \r(54-m2)=eq \r(5),
解得m=±eq \r(3).
所求直线l的方程为y=eq \f(1,2)x±eq \r(3).
2.已知直线l与椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1相交于A,B两点,且线段AB的中点P(1,1).
(1)求直线l的方程;
(2)求△OAB的面积.
解 (1)由斜率公式可知kOP=1,
设A(x1,y1),B(x2,y2).
代入椭圆方程得到,
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x\\al(2,1),4)+\f(y\\al(2,1),3)=1,,\f(x\\al(2,2),4)+\f(y\\al(2,2),3)=1))⇒eq \f(x\\al(2,1)-x\\al(2,2),4)+eq \f(y\\al(2,1)-y\\al(2,2),3)=0,
化简得到-eq \f(3,4)×eq \f(x1+x2,y1+y2)=eq \f(y1-y2,x1-x2)=kAB,
∵x1+x2=2,y1+y2=2,
∴kAB=-eq \f(3,4),
∴直线方程为y-1=-eq \f(3,4)(x-1),
∴直线l的方程为3x+4y-7=0.
(2)将直线方程与椭圆方程联立,可得21x2-42x+1=0,
Δ=422-4×21>0,
∴x1+x2=2,x1x2=eq \f(1,21).
由弦长公式得到
|AB|=eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r(1+\f(9,16))×eq \r(4-\f(4,21))=eq \f(5,4)×eq \f(4\r(105),21)=eq \f(5\r(105),21),
再由点到直线的距离公式得到坐标原点到直线AB的距离d=eq \f(|-7|,\r(9+16))=eq \f(7,5),
∴△OAB的面积S=eq \f(1,2)×eq \f(5\r(105),21)×eq \f(7,5)=eq \f(\r(105),6).
[举一反三]
1.(2023·济宁模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1,过点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(1,2)))的直线交椭圆C于A,B两点,若P为AB的中点,则直线AB的方程为( )
A.3x-2y-2=0 B.3x+2y-4=0
C.3x+4y-5=0 D.3x-4y-1=0
答案 B
解析 设点A(x1,y1),B(x2,y2),
由中点坐标公式可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x1+x2,2)=1,,\f(y1+y2,2)=\f(1,2),))所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=2,,y1+y2=1,))
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x\\al(2,1),4)+\f(y\\al(2,1),3)=1, ①,\f(x\\al(2,2),4)+\f(y\\al(2,2),3)=1, ②))
①-②得eq \f(x\\al(2,1)-x\\al(2,2),4)+eq \f(y\\al(2,1)-y\\al(2,2),3)=0,即eq \f(y\\al(2,1)-y\\al(2,2),x\\al(2,1)-x\\al(2,2))=-eq \f(3,4),即eq \f(y1+y2,x1+x2)·eq \f(y1-y2,x1-x2)=eq \f(1,2)kAB=-eq \f(3,4),
所以kAB=-eq \f(3,2),
因此直线AB的方程为y-eq \f(1,2)=-eq \f(3,2)(x-1),
即3x+2y-4=0.
2.已知椭圆E:eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1的左、右焦点分别为F1,F2,过原点的直线l与E交于A,B两点,且AF1,BF2都与x轴垂直,则|AB|=________.
答案 eq \r(13)
解析 由题意得c2=a2-b2=4-3=1,因为直线l过原点,且交椭圆E于A,B两点,所以A与B关于原点对称,又AF1,BF2都与x轴垂直,
所以设A(-1,y1),B(1,-y1),
则|AB|=eq \r(-1-12+[y1--y1]2)=eq \r(4+4y\\al(2,1)).
又点A在椭圆E上,所以eq \f(1,4)+eq \f(y\\al(2,1),3)=1,得yeq \\al(2,1)=eq \f(9,4),则|AB|=eq \r(4+4×\f(9,4))=eq \r(13).
考点3 直线与椭圆的综合问题
[名师点睛]
1.求解直线与椭圆的综合问题的基本思想是方程思想,即根据题意,列出有关的方程,利用代数的方法求解.为减少计算量,在代数运算中,经常运用设而不求的方法.
2.直线方程的设法,根据题意,如果需要讨论斜率不存在的情况,则设直线方程为x=ty+m避免讨论;若所研究的直线的斜率存在,则可设直线方程为y=kx+b的形式;若包含平行于坐标轴的直线,则不要忘记斜率不存在的情况的讨论.
[典例]
已知P点坐标为(0,-2),点A,B分别为椭圆E:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右顶点,直线BP交E于点Q,△ABP是等腰直角三角形,且eq \(PQ,\s\up6(→))=eq \f(3,2)eq \(QB,\s\up6(→)).
(1)求椭圆E的方程;
(2)设过点P的动直线l与E相交于M,N两点,当坐标原点O位于以MN为直径的圆外时,求直线l斜率的取值范围.
解 (1)由△ABP是等腰直角三角形,
得a=2,B(2,0).
设Q(x0,y0),则由eq \(PQ,\s\up6(→))=eq \f(3,2)eq \(QB,\s\up6(→)),得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x0=\f(6,5),,y0=-\f(4,5),))
代入椭圆方程得b2=1,
所以椭圆E的方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)依题意得,直线l的斜率存在,方程设为y=kx-2.
联立eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=kx-2,,\f(x2,4)+y2=1,))
消去y并整理得(1+4k2)x2-16kx+12=0.(*)
因直线l与E有两个交点,即方程(*)有不等的两实根,
故Δ=(-16k)2-48(1+4k2)>0,
解得k2>eq \f(3,4).
设M(x1,y1),N(x2,y2),
由根与系数的关系得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x1+x2=\f(16k,1+4k2),,x1x2=\f(12,1+4k2),))
因坐标原点O位于以MN为直径的圆外,
所以eq \(OM,\s\up6(→))·eq \(ON,\s\up6(→))>0,即x1x2+y1y2>0,
又由x1x2+y1y2=x1x2+(kx1-2)(kx2-2)=(1+k2)x1x2-2k(x1+x2)+4=(1+k2)·eq \f(12,1+4k2)-2k·eq \f(16k,1+4k2)+4>0,
解得k2<4,综上可得eq \f(3,4)
[举一反三]
已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的离心率为eq \f(\r(3),2),短轴长为2.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点P(1,0)的直线l与椭圆C交于A,B两点,若△ABO的面积为eq \f(3,5)(O为坐标原点),求直线l的方程.
解 (1)由题意可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(c,a)=\f(\r(3),2),,2b=2,,c2=a2-b2,))解得a2=4,b2=1.
故椭圆C的标准方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)由题意可知直线的斜率不为0,
则设直线的方程为x=my+1,A(x1,y1),B(x2,y2).
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+1,,\f(x2,4)+y2=1,))整理得(m2+4)y2+2my-3=0,
Δ=(2m)2-4(m2+4)×(-3)=16m2+48>0,
则y1+y2=-eq \f(2m,m2+4),y1y2=-eq \f(3,m2+4),
故|y1-y2|=eq \r(y1+y22-4y1y2)=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2m,m2+4)))2+\f(12,m2+4))=eq \f(4\r(m2+3),m2+4),
因为△ABO的面积为eq \f(3,5),所以eq \f(1,2)|OP||y1-y2|=eq \f(1,2)×1×eq \f(4\r(m2+3),m2+4)=eq \f(2\r(m2+3),m2+4)=eq \f(3,5),
设t=eq \r(m2+3)≥eq \r(3),则eq \f(2t,t2+1)=eq \f(3,5),
整理得(3t-1)(t-3)=0,
解得t=3或t=eq \f(1,3)(舍去),即m=±eq \r(6).
故直线的方程为x=±eq \r(6)y+1,即x±eq \r(6)y-1=0.
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