2021届高三新高考数学人教A版一轮复习教学案:第九章第9节第一课时 最值、范围、证明问题
展开第9节 圆锥曲线的综合问题
考试要求 1.掌握解决直线与椭圆、抛物线的位置关系的思想方法;2.了解圆锥曲线的简单应用;3.理解数形结合的思想.
知 识 梳 理
1.求定值问题常见的方法有两种:
(1)从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变量无关.
(2)直接推理、计算,并在计算推理的过程中消去变量,从而得到定值.
2.定点的探索与证明问题
(1)探索直线过定点时,可设出直线方程为y=kx+b,然后利用条件建立b,k等量关系进行消元,借助于直线系的思想找出定点.
(2)从特殊情况入手,先探求定点,再证明与变量无关.
3.求解范围问题的方法
求范围问题的关键是建立求解关于某个变量的目标函数,通过求这个函数的值域确定目标的范围,要特别注意变量的取值范围.
4.圆锥曲线中常见最值的解题方法
(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关系,则可先建立起目标函数,再求这个函数的最值,最值常用基本不等式法、配方法及导数法求解.
5.圆锥曲线的弦长
设斜率为k(k≠0)的直线l与圆锥曲线C相交于A,B两点,A(x1,y1),B(x2,y2),则
|AB|=|x1-x2|
=·
=·|y1-y2|=·.
[常用结论与微点提醒]
1.直线与椭圆位置关系的有关结论
(1)过椭圆外一点总有两条直线与椭圆相切;
(2)过椭圆上一点有且仅有一条直线与椭圆相切;
(3)过椭圆内一点的直线均与椭圆相交.
2.直线与抛物线位置关系的有关结论
(1)过抛物线外一点总有三条直线和抛物线有且只有一个公共点,即两条切线和一条与对称轴平行或重合的直线;
(2)过抛物线上一点总有两条直线与抛物线有且只有一个公共点,即一条切线和一条与对称轴平行或重合的直线;
(3)过抛物线内一点只有一条直线与抛物线有且只有一个公共点,即一条与对称轴平行或重合的直线.
诊 断 自 测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)直线l与椭圆C相切的充要条件是:直线l与椭圆C只有一个公共点.( )
(2)直线l与双曲线C相切的充要条件是:直线l与双曲线C只有一个公共点.( )
(3)直线l与抛物线C相切的充要条件是:直线l与抛物线C只有一个公共点.( )
(4)如果直线x=ty+a与圆锥曲线相交于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则弦长|AB|=|y1-y2|.( )
解析 (2)因为直线l与双曲线C的渐近线平行时,也只有一个公共点,是相交,但并不相切.
(3)因为直线l与抛物线C的对称轴平行或重合时,也只有一个公共点,是相交,但不相切.
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√
2.(老教材选修2-1P71例6改编)过点(0,1)作直线,使它与抛物线y2=4x仅有一个公共点,这样的直线有( )
A.1条 B.2条 C.3条 D.4条
解析 结合图形分析可知,满足题意的直线共有3条:直线x=0,过点(0,1)且平行于x轴的直线以及过点(0,1)且与抛物线相切的直线(非直线x=0).
答案 C
3.(老教材选修2-1P69例4改编)已知倾斜角为60°的直线l通过抛物线x2=4y的焦点,且与抛物线相交于A,B两点,则弦|AB|=________.
解析 法一 直线l的方程为y=x+1,
由得y2-14y+1=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),则y1+y2=14,
∴|AB|=y1+y2+p=14+2=16.
法二 如图所示,过F作AD的垂线,垂足为H,则|AF|=|AD|=p+|AF|sin 60°,即|AF|==.同理,|BF|=,故|AB|=|AF|+|BF|=16.
答案 16
4.(2019·天津卷)已知抛物线y2=4x的焦点为F,准线为l.若l与双曲线-=1(a>0,b>0)的两条渐近线分别交于点A和点B,且|AB|=4|OF|(O为原点),则双曲线的离心率为( )
A. B. C.2 D.
解析 由已知易得,抛物线y2=4x的焦点为F(1,0),准线l:x=-1,所以|OF|=1.又双曲线的两条渐近线的方程为y=±x,不妨设点A,B,所以|AB|==4|OF|=4,所以=2,即b=2a,所以b2=4a2.又双曲线方程中c2=a2+b2,所以c2=5a2,所以e==.故选D.
答案 D
5.(2020·广东七校联考)已知点P为椭圆+=1的动点,EF为圆N:x2+(y-1)2=1的任一直径,则·的最大值和最小值分别是( )
A.16,12-4 B.17,13-4
C.19,12-4 D.20,13-4
解析 ∵EF是圆N的直径,∴|NE|=|NF|=1,且=-,则·=(+)·(+)=(+)·(-)=2-2=2-1,设P(x0,y0),则有+=1,即x=16-y,又N(0,1),∴||2=x+(y0-1)2=-(y0+3)2+20,又∵y0∈[-2,2],∴当y0=-3时,||2取得最大值20,则(·)max=20-1=19.当y0=2时,||2取得最小值13-4,则(·)min=12-4.综上,·的最大值和最小值分别为19,12-4,故选C.
答案 C
6.(2020·江西五校协作体联考改编)已知点A(0,2),抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,射线FA与抛物线C相交于点M,与其准线相交于点N,若=,则p的值等于________.
解析 过点M向准线作垂线,垂足为P,由抛物线的定义可知,|MF|=|MP|,因为=,所以=,所以sin∠MNP=,则tan∠MNP=,又∠OFA+∠MNP=90°(O为坐标原点),所以tan∠OFA=2=,则p=2.
答案 2
第一课时 最值、范围、证明问题
考点一 最值问题
【例1】 (一题多解)(2020·东北三省四市教研模拟)如图,已知椭圆C:+=1的短轴端点分别为B1,B2,点M是椭圆C上的动点,且不与B1,B2重合,点N满足NB1⊥MB1,NB2⊥MB2.
(1)(一题多解)求动点N的轨迹方程;
(2)求四边形MB2NB1面积的最大值.
解 (1)法一 设N(x,y),M(x0,y0)(x0≠0),
∵MB1⊥NB1,MB2⊥NB2,B1(0,-3),B2(0,3),
∴直线NB1:y+3=-x,①
直线NB2:y-3=-x,②
①×②得y2-9=x2,又+=1,
∴y2-9=x2=-2x2,
整理得点N的轨迹方程为+=1(x≠0).
法二 设直线MB1:y=kx-3(k≠0),
则直线NB1:y=-x-3,①
直线MB1与椭圆C:+=1的交点M的坐标为,
则直线MB2的斜率为kMB2==-,
∴直线NB2:y=2kx+3,②
由①②解得N点的坐标为,
由,得点N的轨迹方程为+=1(x≠0).
(2)由(1)中法二得,四边形MB2NB1的面积
S=|B1B2|(|xM|+|xN|)=3×==≤,
当且仅当|k|=时,S取得最大值.
规律方法 圆锥曲线中的最值问题类型较多,解法灵活多变,但总体上主要有两种方法:一是几何方法,即通过利用圆锥曲线的定义、几何性质以及平面几何中的定理、性质等进行求解;二是代数方法,即把要求最值的几何量或代数表达式表示为某个(些)变量的函数(解析式),然后利用函数方法、不等式方法等进行求解.
【训练1】 (2020·武汉调研)已知椭圆Γ:+=1(a>b>0)经过点M(-2,1),且右焦点F(,0).
(1)求椭圆Γ的标准方程;
(2)过N(1,0)且斜率存在的直线AB交椭圆Γ于A,B两点,记t=·,若t的最大值和最小值分别为t1,t2,求t1+t2的值.
解 (1)由椭圆+=1的右焦点为(,0),
知a2-b2=3,即b2=a2-3,
则+=1,a2>3.
又椭圆过点M(-2,1),∴+=1,
又a2>3,∴a2=6.
∴椭圆Γ的标准方程为+=1.
(2)设直线AB的方程为y=k(x-1),A(x1,y1),B(x2,y2),
由得x2+2k2(x-1)2=6,
即(1+2k2)x2-4k2x+2k2-6=0,
∵点N(1,0)在椭圆内部,∴Δ>0,
∴
则t=·=(x1+2)(x2+2)+(y1-1)(y2-1)
=x1x2+2(x1+x2)+4+(kx1-k-1)(kx2-k-1)
=(1+k2)x1x2+(2-k2-k)(x1+x2)+k2+2k+5③,
将①②代入③得,
t=(1+k2)·+(2-k2-k)·+k2+2k+5,
∴t=,
∴(15-2t)k2+2k-1-t=0,k∈R,
则Δ1=22+4(15-2t)(1+t)≥0,
∴(2t-15)(t+1)-1≤0,即2t2-13t-16≤0,
由题意知t1,t2是2t2-13t-16=0的两根,∴t1+t2=.
考点二 范围问题
【例2】 (2019·江西八所重点中学联考)已知椭圆E:+=1(a>b>0),F1,F2为其左、右焦点,B1,B2为其上、下顶点,四边形F1B1F2B2的面积为2.
(1)求椭圆E的长轴A1A2的最小值,并确定此时椭圆E的方程;
(2)对于(1)中确定的椭圆E,设过定点M(-2,0)的直线l与椭圆E相交于P,Q两点,若=λ,当λ∈时,求△OPQ的面积S的取值范围.
解 (1)依题意四边形F1B1F2B2的面积为2bc,∴2bc=2,
∵|A1A2|=2a=2≥2=2,
当且仅当b=c=1时等号成立,此时a=,
∴长轴A1A2的最小值为2,
此时椭圆E的方程为+y2=1.
(2)依题意,可设直线l:x=ty-2,联立得得(t2+2)y2-4ty+2=0.
由Δ>0,得t2>2.
设P(x1,y1),Q(x2,y2),
由根与系数的关系得
由=λ,得y1=λy2,
∴
由得λ++2=,
∵y=λ++2在λ∈上单调递减,
∴λ++2∈,
∴<<,<t2<4,满足Δ>0.
△OPQ的面积S=S△OMQ-S△OMP
=|OM||y1-y2|=|y1-y2|==.
设m=,则m∈,t2=m2+2,
∴S==,
∵y=m+在m∈上单调递减,
∴S关于m单调递增,∴△OPQ的面积S∈.
规律方法 解决圆锥曲线中的取值范围问题应考虑的五个方面
(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)利用求函数的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.
【训练2】 (2020·重庆七校联合考试)已知A,B是x轴正半轴上两点(A在B的左侧),且|AB|=a(a>0),过A,B分别作x轴的垂线,与抛物线y2=2px(p>0)在第一象限分别交于D,C两点.
(1)若a=p,点A与抛物线y2=2px的焦点重合,求直线CD的斜率;
(2)若O为坐标原点,记△OCD的面积为S1,梯形ABCD的面积为S2,求的取值范围.
解 (1)由题意知A,则B,D,则C,
又a=p,所以kCD==-1.
(2)设直线CD的方程为y=kx+b(k≠0),C(x1,y1),D(x2,y2),
由,得ky2-2py+2pb=0,
所以Δ=4p2-8pkb>0,得kb<,
又y1+y2=,y1y2=,由y1+y2=>0,y1y2=>0,
可知k>0,b>0,因为|CD|=|x1-x2|
=a,
点O到直线CD的距离d=,
所以S1=·a·=ab.
又S2=(y1+y2)·|x1-x2|=··a=,
所以=,
因为0<kb<,所以0<<.
即的取值范围为.
考点三 证明问题
【例3】 (2020·西安高三抽测)已知点A(1,-)在椭圆C:+=1(a>b>0)上,O为坐标原点,直线l:-=1的斜率与直线OA的斜率乘积为-.
(1)求椭圆C的方程;
(2)(一题多解)不经过点A的直线y=x+t(t≠0且t∈R)与椭圆C交于P,Q两点,P关于原点的对称点为R(与点A不重合),直线AQ,AR与y轴分别交于两点M,N,求证:|AM|=|AN|.
(1)解 由题意知,kOA·kl=-·=-=-,
即a2=4b2,①
又+=1,②
所以联立①②,解得,
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明 设P(x1,y1),Q(x2,y2),则R(-x1,-y1),
由
得x2+tx+t2-1=0,
所以Δ=4-t2>0,即-2<t<2,
又t≠0,所以t∈(-2,0)∪(0,2),
x1+x2=-t,x1·x2=t2-1.
法一 要证明|AM|=|AN|,可转化为证明直线AQ,AR的斜率互为相反数,
即证明kAQ+kAR=0.
由题意知,kAQ+kAR=+
=
=
==
=0,
所以|AM|=|AN|.
法二 要证明|AM|=|AN|,可转化为证明直线AQ,AR与y轴的交点M,N连线的中点S的纵坐标为-,即AS垂直平分MN即可.
直线AQ与AR的方程分别为
lAQ:y+=(x-1),lAR:y+=(x-1),
分别令x=0,得yM=-,yN=-,
所以yM+yN=+-
=-
=-
=-
=-,
yS==-,即AS垂直平分MN.
所以|AM|=|AN|.
规律方法 圆锥曲线中的证明问题常见的有:
(1)位置关系方面的:如证明直线与曲线相切,直线间的平行、垂直,直线过定点等.
(2)数量关系方面的:如存在定值、恒成立、相等等.
在熟悉圆锥曲线的定义与性质的前提下,一般采用直接法,通过相关的代数运算证明,但有时也会用反证法证明.
【训练3】 (2020·合肥模拟)如图,圆C与x轴相切于点T(2,0),与y轴正半轴相交于两点M,N(点M在点N的下方),且|MN|=3.
(1)求圆C的方程;
(2)过点M任作一条直线与椭圆+=1相交于两点A,B,连接AN,BN,求证:∠ANM=∠BNM.
(1)解 设圆C的半径为r(r>0),依题意,圆心C的坐标为(2,r).
因为|MN|=3,所以r2=+22=.
所以r=,圆C的方程为(x-2)2+=.
(2)证明 把x=0代入方程(x-2)2+=,解得y=1或y=4,即点M(0,1),N(0,4).
①当AB⊥x轴时,可知∠ANM=∠BNM=0.
②当AB与x轴不垂直时,可设直线AB的方程为y=kx+1.
联立方程消去y得,(1+2k2)x2+4kx-6=0.
设直线AB交椭圆于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则x1+x2=,x1x2=.
所以kAN+kBN=+=+===0.
所以∠ANM=∠BNM.
综合①②知∠ANM=∠BNM.
A级 基础巩固
一、选择题
1.直线y=x+3与双曲线-=1(a>0,b>0)的交点个数是( )
A.1 B.2 C.1或2 D.0
解析 由直线y=x+3与双曲线-=1的渐近线y=x平行,故直线与双曲线的交点个数是1.
答案 A
2.(2019·浙江八校联考)抛物线y=ax2与直线y=kx+b(k≠0)交于A,B两点,且这两点的横坐标分别为x1,x2,直线与x轴交点的横坐标是x3,则( )
A.x3=x1+x2 B.x1x2=x1x3+x2x3
C.x1+x2+x3=0 D.x1x2+x2x3+x3x1=0
解析 由消去y得ax2-kx-b=0,可知x1+x2=,x1x2=-,令kx+b=0得x3=-,所以x1x2=x1x3+x2x3.
答案 B
3.若点O和点F分别为椭圆+=1的中心和左焦点,点P为椭圆上的任意一点,则·的最大值为( )
A.2 B.3 C.6 D.8
解析 由题意得F(-1,0),设点P(x0,y0),
则y=3(-2≤x0≤2).
·=x0(x0+1)+y=x+x0+y=x+x0+3=·(x0+2)2+2.
因为-2≤x0≤2,所以当x0=2时,·取得最大值,最大值为6.
答案 C
4.(2020·石家庄调研)设F,B分别为椭圆+=1(a>b>0)的右焦点和上顶点,O为坐标原点,C是直线y=x与椭圆在第一象限内的交点,若+=λ(+),则椭圆的离心率是( )
A. B.
C. D.-1
解析 连接BF,联立椭圆+=1(a>b>0)与直线y=x的方程,解得C.因此线段OC的中点坐标为.∵+=λ(+),∴线段OC的中点在BF上,又直线BF的方程为+=1,∴+=1,所以==.故选A.
答案 A
5.设P是椭圆+=1上一点,M,N分别是两圆:(x+4)2+y2=1和(x-4)2+y2=1上的点,则|PM|+|PN|的最小值、最大值分别为( )
A.9,12 B.8,11
C.8,12 D.10,12
解析 如图,由椭圆及圆的方程可知两圆圆心分别为椭圆的两个焦点,由椭圆定义知|PA|+|PB|=2a=10,连接PA,PB分别与圆相交于两点,此时|PM|+|PN|最小,最小值为|PA|+|PB|-2R=8;连接PA,PB并延长,分别与圆相交于两点,此时|PM|+|PN|最大,最大值为|PA|+|PB|+2R=12,即最小值和最大值分别为8,12.
答案 C
二、填空题
6.(2019·岳阳二模)已知抛物线y=ax2(a>0)的准线为l,l与双曲线-y2=1的两条渐近线分别交于A,B两点,若|AB|=4,则a=________.
解析 抛物线y=ax2(a>0)的准线l:y=-,双曲线-y2=1的两条渐近线分别为y=x,y=-x,可得xA=-,xB=,可得|AB|=-=4,解得a=.
答案
7.抛物线C:y2=2px(p>0)的准线与x轴的交点为M,过点M作C的两条切线,切点分别为P,Q,则∠PMQ=________.
解析 由题意得M,设过点M的切线方程为x=my-,代入y2=2px得y2-2pmy+p2=0,∴Δ=4p2m2-4p2=0,∴m=±1,则切线斜率k=±1,∴MQ⊥MP,因此∠PMQ=.
答案
8.(2019·太原一模)过双曲线-=1(a>0,b>0)的右顶点且斜率为2的直线,与该双曲线的右支交于两点,则此双曲线离心率的取值范围为________.
解析 由过双曲线-=1(a>0,b>0)的右顶点且斜率为2的直线,与该双曲线的右支交于两点,可得<2.
∴e==<=,
∵e>1,∴1<e<,
∴此双曲线离心率的取值范围为(1,).
答案 (1,)
三、解答题
9.设椭圆C1:+=1(a>b>0)的离心率为,F1,F2是椭圆的两个焦点,M是椭圆上任意一点,且△MF1F2的周长是4+2.
(1)求椭圆C1的方程;
(2)设椭圆C1的左、右顶点分别为A,B,过椭圆C1上的一点D作x轴的垂线交x轴于点E,若点C满足⊥,∥,连接AC交DE于点P,求证:|PD|=|PE|.
(1)解 由e=,知=,所以c=a,
因为△MF1F2的周长是4+2,
所以2a+2c=4+2,所以a=2,c=,
所以b2=a2-c2=1,
所以椭圆C1的方程为:+y2=1.
(2)证明 由(1)得A(-2,0),B(2,0),
设D(x0,y0),所以E(x0,0),
因为⊥,所以可设C(2,y1),
所以=(x0+2,y0),=(2,y1),
由∥可得:(x0+2)y1=2y0,即y1=.
所以直线AC的方程为:=.
整理得:y=(x+2).
又点P在DE上,将x=x0代入直线AC的方程可得:y=,即点P的坐标为,所以P为DE的中点,|PD|=|PE|.
10.如图,已知点P是y轴左侧(不含y轴)一点,抛物线C:y2=4x上存在不同的两点A,B满足PA,PB的中点均在C上.
(1)设AB中点为M,证明:PM垂直于y轴;
(2)若P是半椭圆x2+=1(x<0)上的动点,求△PAB面积的取值范围.
(1)证明 设P(x0,y0),A,B.
因为PA,PB的中点在抛物线上,所以y1,y2为方程=4·,
即y2-2y0y+8x0-y=0的两个不同的实根.
所以y1+y2=2y0,因此,PM垂直于y轴.
(2)解 由(1)可知
所以|PM|=(y+y)-x0=y-3x0,
|y1-y2|=2.
因此,△PAB的面积S△PAB=|PM|·|y1-y2|
=(y-4x0).
因为x+=1(x0<0),
所以y-4x0=-4x-4x0+4∈[4,5],
因此,△PAB面积的取值范围是.
B级 能力提升
11.(2020·湖北八校联考)已知抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,过F的直线l交抛物线于A,B两点(点A在第一象限),若直线l的倾斜角为,则等于( )
A. B. C. D.
解析 由题意得F,直线l的斜率k=tan=-,∴直线l的方程为y=-,即x=-y+,代入抛物线方程得y2+py-p2=0,解得y=p或y=-p,设A(x1,y1),B(x2,y2),由点A在第一象限可知y1=p,则y2=-p,∴==,故选A.
答案 A
12.已知F1,F2是双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点,点P在双曲线上的右支上,如果|PF1|=t|PF2|(t∈(1,3]),则双曲线经过一、三象限的渐近线的斜率的取值范围是________________.
解析 由双曲线的定义及题意可得
解得
又|PF1|+|PF2|≥2c,
∴|PF1|+|PF2|=+≥2c,
整理得e=≤=1+,
∵1<t≤3,∴1+≥2,∴1<e≤2.
又==e2-1,∴0<≤3,故0<≤.
∴双曲线经过一、三象限的渐近线的斜率的取值范围是(0,].
答案 (0,]
13.以椭圆上一点和两个焦点为顶点的三角形的面积的最大值为1,则椭圆长轴长的最小值为________.
解析 设a,b,c分别为椭圆的长半轴长、短半轴长、半焦距,依题意知,当三角形的高为b时面积最大,
所以×2cb=1,bc=1,
而2a=2≥2=2(当且仅当b=c=1时取等号),即长轴长2a的最小值为2.
答案 2
14.(2020·成都诊断)椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别是F1,F2,离心率为,过F1且垂直于x轴的直线被椭圆C截得的线段长为1.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设直线l:y=kx+m是以坐标原点O为圆心,为半径的圆的切线,且与椭圆C交于不同的两点A,B,求△AOB面积的最大值.
解 (1)将x=-c代入椭圆方程+=1,结合c2=a2-b2,得y=±,
由题意知=1,又e==,
∴a=2,b=1.∴椭圆C的方程为+y2=1.
(2)设点A(x1,y1),B(x2,y2),
∵直线l:y=kx+m是以坐标原点O为圆心,为半径的圆的切线,
∴=,即m2=(1+k2),
联立消y得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-4=0,
∴Δ=16(1+4k2-m2)>0,x1+x2=,x1x2=,
∴|AB|=|x1-x2|=·
==
=·=,
∵16k2+≥2=8,当且仅当k2=时等号成立,
∴|AB|max=,∴S△OAB的最大值为××=1.
C级 创新猜想
15.(多填题)(2020·郑州模拟)已知不过原点的动直线l交抛物线C:y2=2px(p>0)于M,N两点,O为坐标原点,F为抛物线C的焦点,且|+|=|-|,则直线l过定点________,若△MNF面积的最小值为27,则p的值为________.
解析 设动直线MN的方程为x=my+t,M(x1,y1),N(x2,y2),由题意知y1≠0,y2≠0,t≠0,直线MN的方程与抛物线C的方程y2=2px(p>0)联立,消去x,得y2-2pmy-2pt=0,由Δ>0得pm2+2t>0①,y1+y2=2pm,y1y2=-2pt.由|+|=|-|,得·=0,所以x1x2+y1y2=0,即·+y1y2=0,可得y1y2=-4p2,所以t=2p,故直线MN恒过定点Q(2p,0),将t=2p代入①得m∈R,又知|QF|=2p-=,故S△MNF=|QF|·|y1-y2|=··=≥3p2,当且仅当m=0时,等号成立,由题意得3p2=27,解得p=3.
答案 (2p,0) 3