高考数学一轮复习第8章解析几何第9讲第2课时最值范围证明问题学案
展开考点突破·互动探究
考点一 圆锥曲线中的最值问题——自主练透
例1 (2021·广东调研)已知圆x2+y2+2eq \r(6)x-26=0的圆心为F1,直线l过点F2(eq \r(6),0)且与x轴不重合,l交圆F1于C,D两点,过F2作F1C的平行线,交F1D于点E.设点E的轨迹为Ω.
(1)求Ω的方程;
(2)直线l1与Ω相切于点M,l1与两坐标轴的交点为A与B,直线l2经过点M且与l1垂直,l2与Ω的另一个交点为N.当|AB|取得最小值时,求△ABN的面积.
[解析] (1)因为F1C∥EF2,所以∠F1CD=∠EF2D.
又F1C=F1D,所以∠F1CD=∠F1DC,
则∠EDF2=∠EF2D,所以|ED|=|EF2|,
从而|EF2|+|EF1|=|ED|+|EF1|=|DF1|.
x2+y2+2eq \r(6)x-26=0可化为(x+eq \r(6))2+y2=32,
所以|EF2|+|EF1|=eq \r(32)=4eq \r(2)>2eq \r(6).
从而E的轨迹为以F1(-eq \r(6),0),F2(eq \r(6),0)为焦点,长轴长为4eq \r(2)的椭圆(剔除左、右顶点).
所以Ω的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,2)=1(y≠0).
(2)易知l1的斜率存在,所以可设l1的方程为y=kx+m(k≠0)联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+m,,\f(x2,8)+\f(y2,2)=1,))消去y,
得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-8=0.
因为直线l与Ω相切,所以
Δ=(8km)2-4(1+4k2)(4m2-8)=0.
即m2=8k2+2.
l1在x轴、y轴上的截距分别为-eq \f(m,k),m,
则|AB|=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(m,k)))2+m2)=eq \r(m2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k2)+1)))
=eq \r(8k2+2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k2)+1)))
=eq \r(8k2+\f(2,k2)+10)≥eq \r(8+10)=3eq \r(2),
当且仅当8k2=eq \f(2,k2),即k=±eq \f(\r(2),2)时取等号.
所以当k2=eq \f(1,2)时,|AB|取得最小值,此时m2=6,
根据对称性,不妨取k=eq \f(\r(2),2),m=eq \r(6),
此时2xM=-eq \f(8km,1+4k2)=-eq \f(8\r(3),3),
即xM=-eq \f(4\r(3),3),从而yM=-eq \f(4\r(3),3)×eq \f(\r(2),2)+eq \r(6)=eq \f(\r(6),3),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y-\f(\r(6),3)=-\r(2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(4\r(3),3))),\f(x2,8)+\f(y2,2)=1,))
消去y,得9x2+16eq \r(3)x+16=0,
则xM+xN=-eq \f(4\r(3),3)+xN=-eq \f(16\r(3),9),
解得xN=-eq \f(4\r(3),9),
所以|MN|=eq \r(1+2)|xM-xN|=eq \f(8,3),
故△ABN的面积为eq \f(1,2)×eq \f(8,3)×3eq \r(2)=4eq \r(2).
例2 (2021·四川省联合诊断)已知抛物线x2=8y,过点M(0,4)的直线与抛物线交于A,B两点,又过A,B两点分别作抛物线的切线,两条切线交于P点.
(1)证明:直线PA,PB的斜率之积为定值;
(2)求△PAB面积的最小值.
[解析] (1)证明:由题意设l的方程为y=kx+4,
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+4,x2=8y)),得x2-8kx-32=0,
因为Δ=(-8k)2-4×(-32)>0,
所以设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1x2=-32,
设直线PA,PB的斜率分别为k1,k2,
对y=eq \f(x2,8),求导得y′=eq \f(x,4),
所以k1=eq \f(x1,4),k2=eq \f(x2,4),
所以,k1k2=eq \f(x1,4)·eq \f(x2,4)=eq \f(x1x2,4×4)=eq \f(-32,16)=-2(定值).
(2)由(1)可得直线PA的方程为y-eq \f(x\\al(2,1),8)=eq \f(x1,4)(x-x1)①
直线PB的方程为y-eq \f(x\\al(2,2),8)=eq \f(x2,4)(x-x2)②
联立①②,得点P的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x1+x2,2),\f(x1x2,8))),
由(1)得x1+x2=8k,x1x2=-32,
所以P(4k,-4).
于是|AB|=8eq \r(1+k2)eq \r(k2+2),
点P到直线AB的距离d=eq \f(4k2+2,\r(1+k2)),
所以S△PAB=16eq \r(k2+2)(k2+2),
当k2=0,即k=0时,△PAB的面积取得最小值32eq \r(2).
名师点拨
处理圆锥曲线最值问题的求解方法
(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,这就是几何法.
(2)代数法:若题目的条件和结论能体现一种明确的函数,则可首先建立起目标函数,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、重要不等式法及函数的单调性法等.
〔变式训练1〕
(2021·广东省佛山市质检)已知F为椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左焦点,过原点O的动直线l与C交于A,B两点.当A的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(2\r(5),5)))时,|OB|=|BF|.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)延长BF交椭圆C于Q,求△QAB的面积的最大值.
[解析] (1)由Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(2\r(5),5))),得Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-1,-\f(2\r(5),5))),
而|OB|=|BF|.∴F(-2,0),即c=2.
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(1,a2)+\f(4,5b2)=1,a2=b2+4)),解得a2=5,b2=1.
∴椭圆C的标准方程为eq \f(x2,5)+y2=1.
(2)当直线BF斜率不存在时,BF:x=-2,
此时Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-2,-\f(\r(5),5))),|BQ|=eq \f(2\r(5),5),Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2,\f(\r(5),5))),
S△QAB=eq \f(1,2)×eq \f(2\r(5),5)×4=eq \f(4\r(5),5);
当BF所在直线斜率存在时,设BF:y=k(x+2)(k≠0),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+2,\f(x2,5)+y2=1)),得
(1+5k2)x2+20k2x+20k2-5=0,
设B(x1,y1),Q(x2,y2),
则x1+x2=eq \f(-20k2,1+5k2),x1x2=eq \f(20k2-5,12+5k2).
则|BQ|=eq \r(1+k2[x1+x22-4x1x2])
=eq \r(1+k2)·eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(-20k2,1+5k2)))2-\f(80k2-20,1+5k2))
=eq \r(1+k2)·eq \f(2\r(5)\r(1+k2),1+5k2).
又O到BQ的距离d=eq \f(|2k|,\r(1+k2)),
则A到BQ的距离为eq \f(|4k|,\r(1+k2)),
∴S△QAB=eq \f(4\r(5)\r(k4+k2),1+5k2).
令1+5k2=t(t>1),
则S△QAB=4eq \r(5)eq \r(-\f(4,25)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)))2+\f(3,25)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)))+\f(1,25))
=eq \f(8\r(5),5)eq \r(-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)-\f(3,8)))2+\f(25,64)).
∴当eq \f(1,t)=eq \f(3,8)时,(S△QAB)max=eq \r(5).
综上,△QAB的面积的最大值为eq \r(5).
考点二 圆锥曲线中的范围问题——师生共研
例3 (2021·西安模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右焦点为F(1,0),且点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(3,2)))在椭圆C上,O为坐标原点.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)设过定点T(0,2)的直线l与椭圆C交于不同的两点A,B,且∠AOB为锐角,求直线l的斜率k的取值范围.
[解析] (1)由题意,得c=1,所以a2=b2+1.
因为点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(3,2)))在椭圆C上,
所以eq \f(1,a2)+eq \f(9,4b2)=1,所以a2=4,b2=3.
则椭圆C的标准方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
(2)设直线l的方程为y=kx+2,点A(x1,y1),B(x2,y2),
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,4)+\f(y2,3)=1,,y=kx+2))得(4k2+3)x2+16kx+4=0.
因为Δ=48(4k2-1)>0,所以k2>eq \f(1,4),
由根与系数的关系,得x1+x2=eq \f(-16k,4k2+3),x1x2=eq \f(4,4k2+3).
因为∠AOB为锐角,所以eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))>0,即x1x2+y1y2>0.
所以x1x2+(kx1+2)(kx2+2)>0,
即(1+k2)x1x2+2k(x1+x2)+4>0,
所以(1+k2)·eq \f(4,4k2+3)+2k·eq \f(-16k,4k2+3)+4>0,
即eq \f(-12k2+16,4k2+3)>0,所以k2<eq \f(4,3).
综上可知eq \f(1,4)<k2<eq \f(4,3),
解得-eq \f(2\r(3),3)<k<-eq \f(1,2)或eq \f(1,2)<k<eq \f(2\r(3),3).
所以直线l的斜率k的取值范围为
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2\r(3),3),-\f(1,2)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),\f(2\r(3),3))).
[引申]本例中①,若eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=0,则k=__±eq \f(2\r(3),3)__,②若O在以AB为直径的圆内,则k的取值范围是__eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-∞,-\f(2\r(3),3)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2\r(3),3),+∞))__.
名师点拨
求解范围问题的常见求法
(1)利用判别式来构造不等式关系,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在两个参数之间建立等量关系.
(3)利用隐含或已知的不等关系建立不等式,从而求出参数的取值范围.
(4)利用基本不等式求出参数的取值范围.
(5)利用函数的值域的求法,确定参数的取值范围.
〔变式训练2〕
(2021·广东省质检)已知椭圆C的两个焦点分别是(-1,0),(1,0),并且经过点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(2),2))).
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)已知点Q(0,2),若C上总存在两个点A、B关于直线y=x+m对称,且eq \(QA,\s\up6(→))·eq \(QB,\s\up6(→))<4,求实数m的取值范围.
[解析] (1)因为椭圆C的焦点在x轴上,
所以设它的标准方程为eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0).
由椭圆的定义得
2a=eq \r(1+12+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2)-0))2)+eq \r(1-12+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2)-0))2)=2eq \r(2),
所以a=eq \r(2).
因为c=1,所以b2=a2-c2=1.
因此,椭圆C的标准方程为eq \f(x2,2)+y2=1.
(2)根据题意可设直线AB的方程为y=-x+n,
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-x+n,\f(x2,2)+y2=1)),
整理得3x2-4nx+2n2-2=0,
由Δ=(-4n)2-4×3(2n2-2)>0,
得n2<3.
设A(x1,-x1+n),B(x2,-x2+n),
则x1+x2=eq \f(4n,3),x1x2=eq \f(2n2-2,3).
又设AB的中点为M(x0,-x0+n),则x0=eq \f(x1+x2,2)=eq \f(2n,3),-x0+n=eq \f(n,3).
由于点M在直线y=x+m上,
所以eq \f(n,3)=eq \f(2n,3)+m,得n=-3m,
代入n2<3,得9m2<3,所以-eq \f(\r(3),3)<m<eq \f(\r(3),3).①
因为eq \(QA,\s\up6(→))=(x1,-x1+n-2),eq \(QB,\s\up6(→))=(x2,-x2+n-2),
所以eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=2x1x2-(n-2)(x1+x2)+(n-2)2
=eq \f(4n2-4,3)-eq \f(4n2-8n,3)+eq \f(3n2-4n+4,3)=eq \f(3n2-4n+8,3).
由eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))<4,得3n2-4n+8<12,3n2-4n-4<0
得-eq \f(2,3)<n<2,得-eq \f(2,3)<-3m<2,所以-eq \f(2,3)<m<eq \f(2,9)②
由①②得-eq \f(\r(3),3)<m<eq \f(2,9),
故实数m的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(3),3),\f(2,9))).
考点三 圆锥曲线中的证明问题——师生共研
例4 (2018·课标Ⅰ卷)设椭圆C:eq \f(x2,2)+y2=1的右焦点为F,过F的直线l与C交于A,B两点,点M的坐标为(2,0).
(1)当l与x轴垂直时,求直线AM的方程;
(2)设O为坐标原点,证明:∠OMA=∠OMB.
[解析] (1)由已知得F(1,0),l的方程为x=1,
由已知可得,点A的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(2),2)))或eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,-\f(\r(2),2))).
所以AM的方程为y=-eq \f(\r(2),2)x+eq \r(2)或y=eq \f(\r(2),2)x-eq \r(2).
(2)当l与x轴重合时,∠OMA=∠OMB=0°.
当l与x轴垂直时,直线OM为AB的垂直平分线.
所以∠OMA=∠OMB.
当l与x轴不重合也不垂直时,
设l的方程为y=k(x-1)(k≠0),A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1<eq \r(2),x2<eq \r(2),直线MA,MB的斜率之和为kMA+kMB=eq \f(y1,x1-2)+eq \f(y2,x2-2),
将由y1=kx1-k,y2=kx2-k得kMA+kMB=eq \f(2kx1x2-3kx1+x2+4k,x1-2x2-2),将y=k(x-1)代入eq \f(x2,2)+y2=1得(2k2+1)x2-4k2x+2k2-2=0,
所以,x1+x2=eq \f(4k2,2k2+1),x1x2=eq \f(2k2-2,2k2+1).
则2kx1x2-3k(x1+x2)+4k=eq \f(4k3-4k-12k3+8k3+4k,2k2+1)=0,
从而kMA+kMB=0,故MA,MB的倾斜角互补,
所以∠OMA=∠OMB.
综上,∠OMA=∠OMB.
名师点拨
圆锥曲线中的证明问题,常见的有位置关系方面的,如证明相切、垂直、过定点等;数量关系方面的,如存在定值、恒成立等.在熟悉圆锥曲线的定义和性质的前提下,要多采用直接法证明,但有时也会用到反证法.
解决证明问题的答题模板
eq \x(联立方程)—eq \x(\a\al(直线方程与圆锥曲线方程联立,得一元二次方程,涉及中点弦问题,可用点差法.))
↓
eq \x(坐标表示)—eq \x(借助根与系数的关系、点差法等把所涉及的量用动点坐标表示出来.)
↓
eq \x(证明结论)—eq \x(根据条件及证明方向进行转化并运算,直到符合所证结论.)
〔变式训练3〕
(2021·河北张家口模拟)已知椭圆E:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的焦距为4.且过点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-1,\f(\r(14),2))).
(1)求椭圆E的方程;
(2)设A(0,b),B(0,-b),C(a,b),过B点且斜率为k(k>0)的直线l交椭圆E于另一点M,交x轴于点Q,直线AM与直线x=a相交于点P.证明:PQ∥OC(O为坐标原点).
[解析] (1)由题可知,2c=4,c=2,
∴椭圆的左,右焦点分别为(-2,0),(2,0).
由椭圆的定义知2a=eq \r(-1+22+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(14),2)))2)+eq \r(-1-22+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(14),2)))2)=4eq \r(2),∴a=2eq \r(2),b2=a2-c2=4,
∴椭圆E的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,4)=1.
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(另解:由题可知\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(1,a2)+\f(7,2b2)=1,a2-b2=4)),解得\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(b2=4,a2=8)))).
(2)证明:易得A(0,2),B(0,-2),C(2eq \r(2),2),
直线l:y=kx-2与椭圆x2+2y2=8联立,
得(2k2+1)x2-8kx=0,
∴xM=eq \f(8k,2k2+1),
从而Meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(8k,2k2+1),\f(4k2-2,2k2+1))),Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,k),0)).
∴直线AM的斜率为eq \f(\f(4k2-2,2k2+1)-2,\f(8k,2k2+1))=-eq \f(1,2k),
直线AM的方程为y=-eq \f(1,2k)x+2.
令x=2eq \r(2)得Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2\r(2),-\f(\r(2),k)+2)),
∴直线PQ的斜率kPQ=eq \f(-\f(\r(2),k)+2,2\r(2)-\f(2,k))=eq \f(-\r(2)+2k,2\r(2)k-2)=eq \f(\r(2)\r(2)k-1,2\r(2)k-1)=eq \f(\r(2),2).
∵直线OC的斜率kOC=eq \f(2,2\r(2))=eq \f(\r(2),2),
∴kPQ=kOC,从而PQ∥OC.
名师讲坛·素养提升
圆锥曲线中的对称问题
例5 试确定m的取值范围,使得椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1上有不同两点关于直线y=4x+m对称.
[解析] 解法一:设椭圆上两点A(x0-u,y0-v),B(x0+u,y0+v),AB的中点为C(x0,y0).
∵A,B关于y=4x+m对称,
∴kAB=eq \f(v,u)=-eq \f(1,4).
又eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x0-u2,4)+\f(y0-v2,3)=1,,\f(x0+u2,4)+\f(y0+v2,3)=1,))
两式相减,得eq \f(v,u)=-eq \f(3x0,4y0),∴y0=3x0.
而点C在直线y=4x+m上,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x0=-m,,y0=-3m.))∵点C在椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1内,
∴eq \f(-m2,4)+eq \f(-3m2,3)<1.
∴m∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2\r(13),13),\f(2\r(13),13))).
解法二:设椭圆上两点A(x1,y1),B(x2,y2)关于直线y=4x+m对称.
设AB的中点为P(x0,y0),
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(y1-y2,x1-x2)=-\f(1,4),,y0=4x0+m.))又由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,))
得eq \f(x1+x2x1-x2,4)+eq \f(y1+y2y1-y2,3)=0.
∴eq \f(x1+x2,4)+eq \f(y1+y2,3)·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,4)))=0.
∴y1+y2=3(x1+x2),得y0=3x0.
代入y0=4x0+m,得x0=-m,∴y0=-3m.
以下同解法一.
[引申](1)在例题中将椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1换成抛物线y2=2x,则相应m的范围为__(-∞,-36)__.
(2)在例题中将直线改为y=mx+eq \f(1,2),则相应的m的范围为__eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-∞,-\f(1,2)))∪(2,+∞)__.
名师点拨
圆锥曲线上两点的对称问题是圆锥曲线的常见题型,处理方法是:
1.设对称两点所在的直线方程与圆锥曲线方程联立,由Δ>0建立不等关系,再由对称两点的中点在所给直线上,建立相等关系,由相等关系消参,由不等关系确定范围.
2.用参数表示中点坐标,利用中点在圆锥曲线内部建立关于参数的不等式,解不等式得参数范围.
〔变式训练4〕
若抛物线y=ax2-1上恒有关于直线x+y=0对称的相异两点A,B,则a的取值范围是__a>eq \f(3,4)__.
[解析] 设抛物线上的两点为A(x1,y1),B(x2,y2),直线AB的方程为y=x+b,代入抛物线方程y=ax2-1,得ax2-x-(b+1)=0,设直线AB的中点为M(x0,y0),则x0=eq \f(1,2a),y0=x0+b=eq \f(1,2a)+b.由于M(x0,y0)在直线x+y=0上,故x0+y0=0,由此解得b=-eq \f(1,a),此时ax2-x-(b+1)=0可变形为ax2-x-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,a)+1))=0,由Δ=1+4aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,a)+1))>0,解得a>eq \f(3,4).
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