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2020版高考数学(文)新增分大一轮人教通用版讲义:第九章 平面解析几何高考专题突破五第2课时
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第2课时 定点与定值问题
题型一 定点问题
例1 已知椭圆+=1(a>b>0)过点(0,1),其长轴、焦距和短轴的长的平方依次成等差数列.直线l与x轴正半轴和y轴分别交于点Q,P,与椭圆分别交于点M,N,各点均不重合且满足=λ1,=λ2.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)若λ1+λ2=-3,试证明:直线l过定点,并求此定点.
解 (1)设椭圆的焦距为2c,由题意知b=1,且(2a)2+(2b)2=2(2c)2,又a2=b2+c2,∴a2=3.
∴椭圆的标准方程为+y2=1.
(2)由题意设P(0,m),Q(x0,0),M(x1,y1),
N(x2,y2),设l方程为x=t(y-m),
由=λ1知(x1,y1-m)=λ1(x0-x1,-y1),
∴y1-m=-y1λ1,由题意y1≠0,∴λ1=-1.
同理由=λ2知λ2=-1.
∵λ1+λ2=-3,∴y1y2+m(y1+y2)=0,①
联立得(t2+3)y2-2mt2y+t2m2-3=0,
∴由题意知Δ=4m2t4-4(t2+3)(t2m2-3)>0,②
且有y1+y2=,y1y2=,③
③代入①得t2m2-3+2m2t2=0,
∴(mt)2=1,
由题意mt<0,∴mt=-1,满足②,
得直线l的方程为x=ty+1,
过定点(1,0),即Q为定点.
思维升华 圆锥曲线中定点问题的两种解法
(1)引进参数法:引进动点的坐标或动线中系数为参数表示变化量,再研究变化的量与参数何时没有关系,找到定点.
(2)特殊到一般法:根据动点或动线的特殊情况探索出定点,再证明该定点与变量无关.
跟踪训练1 已知焦距为2的椭圆C:+=1(a>b>0)的右顶点为A,直线y=与椭圆C交于P,Q两点(P在Q的左边),Q在x轴上的射影为B,且四边形ABPQ是平行四边形.
(1)求椭圆C的方程;
(2)斜率为k的直线l与椭圆C交于两个不同的点M,N.
①若直线l过原点且与坐标轴不重合,E是直线3x+3y-2=0上一点,且△EMN是以E为直角顶点的等腰直角三角形,求k的值;
②若M是椭圆的左顶点,D是直线MN上一点,且DA⊥AM,点G是x轴上异于点M的点,且以DN为直径的圆恒过直线AN和DG的交点,求证:点G是定点.
(1)解 由题意可得2c=2,即c=,
设Q,因为四边形ABPQ为平行四边形,
|PQ|=2n,|AB|=a-n,
所以2n=a-n,n=,
则+=1,解得b2=2,a2=b2+c2=4,
可得椭圆C的方程为+=1.
(2)①解 直线y=kx(k≠0)代入椭圆方程,
可得(1+2k2)x2=4,
解得x=±,
可设M,
由E是3x+3y-2=0上一点,
可设E,
E到直线kx-y=0的距离为d=,
因为△EMN是以E为直角顶点的等腰直角三角形,
所以OE⊥MN,|OM|=d,
即有=-, (*)
=, (**)
由(*)得m=(k≠1),代入(**)式,
化简整理可得7k2-18k+8=0,解得k=2或.
②证明 由M(-2,0),可得直线MN的方程为y=k(x+2)(k≠0),代入椭圆方程可得(1+2k2)x2+8k2x+8k2-4=0,
可得-2+xN=-,解得xN=,
yN=k(xN+2)=,即N,
设G(t,0)(t≠-2),由题意可得D(2,4k),A(2,0),
以DN为直径的圆恒过直线AN和DG的交点,
可得AN⊥DG,即有·=0,
即为·(t-2,-4k)=0,解得t=0.
故点G是定点,即为原点(0,0).
题型二 定值问题
例2 如图,已知抛物线C:x2=4y,过点M(0,2)任作一直线与C相交于A,B两点,过点B作y轴的平行线与直线AO相交于点D(O为坐标原点).
(1)证明:动点D在定直线上;
(2)作C的任意一条切线l(不含x轴),与直线y=2相交于点N1,与(1)中的定直线相交于点N2,证明:|MN2|2-|MN1|2为定值,并求此定值.
(1)证明 依题意,直线AB的斜率存在,可设AB方程为y=kx+2,代入x2=4y,
得x2=4(kx+2),即x2-4kx-8=0.
显然Δ>0恒成立,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则有x1x2=-8.
直线AO的方程为y=x;
BD的方程为x=x2.
解得交点D的坐标为
注意到x1x2=-8及x=4y1,
则有y===-2.
因此D点在定直线y=-2上(x≠0).
(2)解 依题设,切线l的斜率存在且不等于0,设切线l的方程为y=ax+b(a≠0),
代入x2=4y得x2=4(ax+b),
即x2-4ax-4b=0.
由Δ=0得(4a)2+16b=0,化简整理得b=-a2.
故切线l的方程可写为y=ax-a2.
分别令y=2,y=-2得N1,N2的坐标为
N1,N2,
则|MN2|2-|MN1|2=2+42-2=8,
即|MN2|2-|MN1|2为定值8.
思维升华 圆锥曲线中的定值问题的常见类型及解题策略
(1)求代数式为定值.依题意设条件,得出与代数式参数有关的等式,代入代数式、化简即可得出定值.
(2)求点到直线的距离为定值.利用点到直线的距离公式得出距离的解析式,再利用题设条件化简、变形求得.
(3)求某线段长度为定值.利用长度公式求得解析式,再依据条件对解析式进行化简、变形即可求得.
跟踪训练2 已知点M是椭圆C:+=1(a>b>0)上一点,F1,F2分别为C的左、右焦点,且|F1F2|=4,∠F1MF2=60°,△F1MF2的面积为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设N(0,2),过点P(-1,-2)作直线l,交椭圆C于异于N的A,B两点,直线NA,NB的斜率分别为k1,k2,证明:k1+k2为定值.
(1)解 在△F1MF2中,由|MF1||MF2|sin 60°=,得|MF1||MF2|=.
由余弦定理,得
|F1F2|2=|MF1|2+|MF2|2-2|MF1||MF2|·cos 60°
=(|MF1|+|MF2|)2-2|MF1||MF2|(1+cos 60°),
解得|MF1|+|MF2|=4.
从而2a=|MF1|+|MF2|=4,即a=2.
由|F1F2|=4得c=2,从而b=2,
故椭圆C的方程为+=1.
(2)证明 当直线l的斜率存在时,
设斜率为k,显然k≠0,则其方程为y+2=k(x+1),
由
得(1+2k2)x2+4k(k-2)x+2k2-8k=0.
Δ=56k2+32k>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=-,x1x2=.
从而k1+k2=+
=
=2k-(k-4)·=4.
当直线l的斜率不存在时,
可得A,B,
得k1+k2=4.
综上,k1+k2为定值.
直线与圆锥曲线的综合问题
数学运算是指在明晰运算对象的基础上,依据运算法则解决数学问题的过程.主要包括:理解运算对象,掌握运算法则,探究运算方向,选择运算方法,设计运算程序,求得运算结果等.
例 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)点P是椭圆C上除长轴端点外的任一点,连接PF1,PF2,设∠F1PF2的角平分线PM交C的长轴于点M(m,0),求m的取值范围;
(3)在(2)的条件下,过点P作斜率为k的直线l,使得l与椭圆C有且只有一个公共点,设直线PF1,PF2的斜率分别为k1,k2,若k2≠0,证明+为定值,并求出这个定值.
解 (1)由于c2=a2-b2,将x=-c代入椭圆方程+=1,得y=±.由题意知=1,即a=2b2.
又e==,所以a=2,b=1.
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)设P(x0,y0)(y0≠0),
又F1(-,0),F2(,0),
所以直线PF1,PF2的方程分别为
:y0x-(x0+)y+y0=0,
:y0x-(x0-)y-y0=0.
由题意知=.
由于点P在椭圆上,所以+y=1.
所以=.
因为-
可得=,
所以m=x0,因此-
(3)设P(x0,y0)(y0≠0),
则直线l的方程为y-y0=k(x-x0).
联立得
整理得(1+4k2)x2+8(ky0-k2x0)x+4(y-2kx0y0+k2x-1)=0.
由题意Δ=0,即(4-x)k2+2x0y0k+1-y=0.
又+y=1,
所以16yk2+8x0y0k+x=0,故k=-.
由(2)知+=+=,
所以+==·=-8,
因此+为定值,这个定值为-8.
素养提升 典例的解题过程体现了数学运算素养,其中设出P点的坐标而不求解又体现了数学运算素养中的一个运算技巧——设而不求,从而简化了运算过程.
1.(2018·相阳教育模拟)设F1,F2为椭圆C:+=1(b>0)的左、右焦点,M为椭圆上一点,满足MF1⊥MF2,已知△MF1F2的面积为1.
(1)求C的方程;
(2)设C的上顶点为H,过点(2,-1)的直线与椭圆交于R,S两点(异于H),求证:直线HR和HS的斜率之和为定值,并求出这个定值.
解 (1)由椭圆定义得|MF1|+|MF2|=4,①
由垂直得|MF1|2+|MF2|2=|F1F2|2=4(4-b2),②
由题意得=|MF1|·|MF2|=1,③
由①②③,可得b2=1,C的方程为+y2=1.
(2)依题意,H(0,1),显然直线的斜率存在且不为0,
设直线RS的方程为y=kx+m(k≠0),
代入椭圆方程化简得(4k2+1)x2+8kmx+4m2-4=0.
由题意知,Δ=16(4k2-m2+1)>0,
设R(x1,y1),S(x2,y2),x1x2≠0,
故x1+x2=,x1x2=.
kHR+kHS=+=+
=2k+(m-1)=2k+(m-1)
=2k-==-1.
故kHR+kHS为定值-1.
2.(2018·威海模拟)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点F,直线y=4与y轴的交点为P,与抛物线C的交点为Q,且|QF|=2|PQ|.
(1)求p的值;
(2)已知点T(t,-2)为C上一点,M,N是C上异于点T的两点,且满足直线TM和直线TN的斜率之和为-,证明:直线MN恒过定点,并求出定点的坐标.
解 (1)设Q(x0,4),由抛物线定义,|QF|=x0+,
又|QF|=2|PQ|,即2x0=x0+,解得x0=,
将点Q代入抛物线方程,解得p=4.
(2)由(1)知C的方程为y2=8x,
所以点T坐标为.
设直线MN的方程为x=my+n,
点M,N,
由得y2-8my-8n=0,
Δ=64m2+32n>0,
所以y1+y2=8m,y1y2=-8n,
所以kMT+kNT=+=+
===-,
解得n=m-1.
所以直线MN的方程为x+1=m(y+1),
恒过定点(-1,-1).
3.(2018·辽阳调研)已知抛物线C1的方程为x2=2py(p>0),过点M(a,-2p)(a为常数)作抛物线C1的两条切线,切点分别为A,B.
(1)过焦点且在x轴上截距为2的直线l与抛物线C1交于Q,N两点,Q,N两点在x轴上的射影分别为Q′,N′,且|Q′N′|=2,求抛物线C1的方程;
(2)设直线AM,BM的斜率分别为k1,k2.求证:k1·k2为定值.
(1)解 因为抛物线C1的焦点坐标是,
所以过焦点且在x轴上截距为2的直线方程是+=1,即+=1.
联立
消去y并整理,得x2+x-p2=0,
显然Δ>0恒成立,
设点Q(xQ,yQ),N(xN,yN),
则xQ+xN=-,xQxN=-p2.
则|Q′N′|=|xQ-xN|
=
=
= =2,
解得p=2.所以抛物线C1的方程为x2=4y.
(2)证明 设点A(x1,y1),B(x2,y2)(x1>0,x2<0).
依题意,由x2=2py(p>0),得y=,则y′=.
所以切线MA的方程是y-y1=(x-x1),
即y=x-.
又点M(a,-2p)在直线MA上,
于是有-2p=×a-,
即x-2ax1-4p2=0.
同理,有x-2ax2-4p2=0,
因此,x1,x2是方程x2-2ax-4p2=0的两根,
则x1+x2=2a,x1x2=-4p2.
所以k1·k2=·===-4,
故k1·k2为定值得证.
4.已知中心在原点,焦点在x轴上的椭圆C的离心率为,过左焦点F且垂直于x轴的直线交椭圆C于P,Q两点,且|PQ|=2.
(1)求C的方程;
(2)若直线l是圆x2+y2=8上的点(2,2)处的切线,点M是直线l上任一点,过点M作椭圆C的切线MA,MB,切点分别为A,B,设切线的斜率都存在.求证:直线AB过定点,并求出该定点的坐标.
解 (1)由已知,设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),
因为|PQ|=2,不妨设点P(-c,),
代入椭圆方程得,+=1,
又因为e==,
所以+=1,b=c,
所以b2=4,a2=2b2=8,
所以C的方程为+=1.
(2)依题设,得直线l的方程为y-2=-(x-2),
即x+y-4=0,
设M(x0,y0),A(x1,y1),B(x2,y2),x0≠x1且x0≠x2,
由切线MA的斜率存在,设其方程为y-y1=k(x-x1),
联立
得(2k2+1)x2+4k(y1-kx1)x+2(y1-kx1)2-8=0,
由相切得Δ=16k2(y1-kx1)2-8(2k2+1)[(y1-kx1)2-4]=0,
化简得(y1-kx1)2=8k2+4,
即(x-8)k2-2x1y1k+y-4=0,
因为方程只有一解,
所以k===-,
所以切线MA的方程为y-y1=-(x-x1),
即x1x+2y1y=8,
同理,切线MB的方程为x2x+2y2y=8,
又因为两切线都经过点M(x0,y0),
所以
所以直线AB的方程为x0x+2y0y=8,
又x0+y0=4,
所以直线AB的方程可化为x0x+2(4-x0)y=8,
即x0(x-2y)+8y-8=0,
令得
所以直线AB恒过定点(2,1).
5.(2018·抚顺模拟)设椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e=,左顶点M到直线+=1的距离d=,O为坐标原点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设直线l与椭圆C相交于A,B两点,若以AB为直径的圆经过坐标原点,证明:点O到直线AB的距离为定值.
(1)解 由e=,得c=a,又b2=a2-c2,
所以b=a,即a=2b.
由左顶点M(-a,0)到直线+=1,
即到直线bx+ay-ab=0的距离d=,
得=,即=,
把a=2b代入上式,得=,解得b=1.
所以a=2b=2,c=.
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明 设A(x1,y1),B(x2,y2),
①当直线AB的斜率不存在时,由椭圆的对称性,
可知x1=x2,y1=-y2.
因为以AB为直径的圆经过坐标原点,故·=0,
即x1x2+y1y2=0,也就是x-y=0,
又点A在椭圆C上,所以+y=1,
解得|x1|=|y1|=.
此时点O到直线AB的距离d1=|x1|=.
②当直线AB的斜率存在时,
设直线AB的方程为y=kx+m,
与椭圆方程联立有
消去y,得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-4=0,
所以x1+x2=-,x1x2=.
因为以AB为直径的圆过坐标原点O,所以OA⊥OB,
所以·=x1x2+y1y2=0,
所以(1+k2)x1x2+km(x1+x2)+m2=0,
所以(1+k2)·-+m2=0,
整理得5m2=4(k2+1),
所以点O到直线AB的距离d1==.
综上所述,点O到直线AB的距离为定值.
6.已知椭圆C:+=1(a>b>0)经过与两点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过原点的直线l与椭圆C交于A,B两点,椭圆C上一点M满足|MA|=|MB|.求证:++为定值.
(1)解 将与两点代入椭圆C的方程,得解得
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)证明 由|MA|=|MB|,知M在线段AB的垂直平分线上,由椭圆的对称性知点A,B关于原点对称.
①若点A,B是椭圆的短轴顶点,则点M是椭圆的一个长轴顶点,此时
++
=++=2=.
同理,若点A,B是椭圆的长轴顶点,则点M是椭圆的一个短轴顶点,此时
++
=++=2=.
②若点A,B,M不是椭圆的顶点,设直线l的方程为y=kx(k≠0),
则直线OM的方程为y=-x,
设A(x1,y1),B(x2,y2),由
解得x=,y=,
所以|OA|2=|OB|2=x+y=,
同理,|OM|2=.
所以++
=2×+=.
综上,++=为定值.
题型一 定点问题
例1 已知椭圆+=1(a>b>0)过点(0,1),其长轴、焦距和短轴的长的平方依次成等差数列.直线l与x轴正半轴和y轴分别交于点Q,P,与椭圆分别交于点M,N,各点均不重合且满足=λ1,=λ2.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)若λ1+λ2=-3,试证明:直线l过定点,并求此定点.
解 (1)设椭圆的焦距为2c,由题意知b=1,且(2a)2+(2b)2=2(2c)2,又a2=b2+c2,∴a2=3.
∴椭圆的标准方程为+y2=1.
(2)由题意设P(0,m),Q(x0,0),M(x1,y1),
N(x2,y2),设l方程为x=t(y-m),
由=λ1知(x1,y1-m)=λ1(x0-x1,-y1),
∴y1-m=-y1λ1,由题意y1≠0,∴λ1=-1.
同理由=λ2知λ2=-1.
∵λ1+λ2=-3,∴y1y2+m(y1+y2)=0,①
联立得(t2+3)y2-2mt2y+t2m2-3=0,
∴由题意知Δ=4m2t4-4(t2+3)(t2m2-3)>0,②
且有y1+y2=,y1y2=,③
③代入①得t2m2-3+2m2t2=0,
∴(mt)2=1,
由题意mt<0,∴mt=-1,满足②,
得直线l的方程为x=ty+1,
过定点(1,0),即Q为定点.
思维升华 圆锥曲线中定点问题的两种解法
(1)引进参数法:引进动点的坐标或动线中系数为参数表示变化量,再研究变化的量与参数何时没有关系,找到定点.
(2)特殊到一般法:根据动点或动线的特殊情况探索出定点,再证明该定点与变量无关.
跟踪训练1 已知焦距为2的椭圆C:+=1(a>b>0)的右顶点为A,直线y=与椭圆C交于P,Q两点(P在Q的左边),Q在x轴上的射影为B,且四边形ABPQ是平行四边形.
(1)求椭圆C的方程;
(2)斜率为k的直线l与椭圆C交于两个不同的点M,N.
①若直线l过原点且与坐标轴不重合,E是直线3x+3y-2=0上一点,且△EMN是以E为直角顶点的等腰直角三角形,求k的值;
②若M是椭圆的左顶点,D是直线MN上一点,且DA⊥AM,点G是x轴上异于点M的点,且以DN为直径的圆恒过直线AN和DG的交点,求证:点G是定点.
(1)解 由题意可得2c=2,即c=,
设Q,因为四边形ABPQ为平行四边形,
|PQ|=2n,|AB|=a-n,
所以2n=a-n,n=,
则+=1,解得b2=2,a2=b2+c2=4,
可得椭圆C的方程为+=1.
(2)①解 直线y=kx(k≠0)代入椭圆方程,
可得(1+2k2)x2=4,
解得x=±,
可设M,
由E是3x+3y-2=0上一点,
可设E,
E到直线kx-y=0的距离为d=,
因为△EMN是以E为直角顶点的等腰直角三角形,
所以OE⊥MN,|OM|=d,
即有=-, (*)
=, (**)
由(*)得m=(k≠1),代入(**)式,
化简整理可得7k2-18k+8=0,解得k=2或.
②证明 由M(-2,0),可得直线MN的方程为y=k(x+2)(k≠0),代入椭圆方程可得(1+2k2)x2+8k2x+8k2-4=0,
可得-2+xN=-,解得xN=,
yN=k(xN+2)=,即N,
设G(t,0)(t≠-2),由题意可得D(2,4k),A(2,0),
以DN为直径的圆恒过直线AN和DG的交点,
可得AN⊥DG,即有·=0,
即为·(t-2,-4k)=0,解得t=0.
故点G是定点,即为原点(0,0).
题型二 定值问题
例2 如图,已知抛物线C:x2=4y,过点M(0,2)任作一直线与C相交于A,B两点,过点B作y轴的平行线与直线AO相交于点D(O为坐标原点).
(1)证明:动点D在定直线上;
(2)作C的任意一条切线l(不含x轴),与直线y=2相交于点N1,与(1)中的定直线相交于点N2,证明:|MN2|2-|MN1|2为定值,并求此定值.
(1)证明 依题意,直线AB的斜率存在,可设AB方程为y=kx+2,代入x2=4y,
得x2=4(kx+2),即x2-4kx-8=0.
显然Δ>0恒成立,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则有x1x2=-8.
直线AO的方程为y=x;
BD的方程为x=x2.
解得交点D的坐标为
注意到x1x2=-8及x=4y1,
则有y===-2.
因此D点在定直线y=-2上(x≠0).
(2)解 依题设,切线l的斜率存在且不等于0,设切线l的方程为y=ax+b(a≠0),
代入x2=4y得x2=4(ax+b),
即x2-4ax-4b=0.
由Δ=0得(4a)2+16b=0,化简整理得b=-a2.
故切线l的方程可写为y=ax-a2.
分别令y=2,y=-2得N1,N2的坐标为
N1,N2,
则|MN2|2-|MN1|2=2+42-2=8,
即|MN2|2-|MN1|2为定值8.
思维升华 圆锥曲线中的定值问题的常见类型及解题策略
(1)求代数式为定值.依题意设条件,得出与代数式参数有关的等式,代入代数式、化简即可得出定值.
(2)求点到直线的距离为定值.利用点到直线的距离公式得出距离的解析式,再利用题设条件化简、变形求得.
(3)求某线段长度为定值.利用长度公式求得解析式,再依据条件对解析式进行化简、变形即可求得.
跟踪训练2 已知点M是椭圆C:+=1(a>b>0)上一点,F1,F2分别为C的左、右焦点,且|F1F2|=4,∠F1MF2=60°,△F1MF2的面积为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设N(0,2),过点P(-1,-2)作直线l,交椭圆C于异于N的A,B两点,直线NA,NB的斜率分别为k1,k2,证明:k1+k2为定值.
(1)解 在△F1MF2中,由|MF1||MF2|sin 60°=,得|MF1||MF2|=.
由余弦定理,得
|F1F2|2=|MF1|2+|MF2|2-2|MF1||MF2|·cos 60°
=(|MF1|+|MF2|)2-2|MF1||MF2|(1+cos 60°),
解得|MF1|+|MF2|=4.
从而2a=|MF1|+|MF2|=4,即a=2.
由|F1F2|=4得c=2,从而b=2,
故椭圆C的方程为+=1.
(2)证明 当直线l的斜率存在时,
设斜率为k,显然k≠0,则其方程为y+2=k(x+1),
由
得(1+2k2)x2+4k(k-2)x+2k2-8k=0.
Δ=56k2+32k>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=-,x1x2=.
从而k1+k2=+
=
=2k-(k-4)·=4.
当直线l的斜率不存在时,
可得A,B,
得k1+k2=4.
综上,k1+k2为定值.
直线与圆锥曲线的综合问题
数学运算是指在明晰运算对象的基础上,依据运算法则解决数学问题的过程.主要包括:理解运算对象,掌握运算法则,探究运算方向,选择运算方法,设计运算程序,求得运算结果等.
例 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)点P是椭圆C上除长轴端点外的任一点,连接PF1,PF2,设∠F1PF2的角平分线PM交C的长轴于点M(m,0),求m的取值范围;
(3)在(2)的条件下,过点P作斜率为k的直线l,使得l与椭圆C有且只有一个公共点,设直线PF1,PF2的斜率分别为k1,k2,若k2≠0,证明+为定值,并求出这个定值.
解 (1)由于c2=a2-b2,将x=-c代入椭圆方程+=1,得y=±.由题意知=1,即a=2b2.
又e==,所以a=2,b=1.
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)设P(x0,y0)(y0≠0),
又F1(-,0),F2(,0),
所以直线PF1,PF2的方程分别为
:y0x-(x0+)y+y0=0,
:y0x-(x0-)y-y0=0.
由题意知=.
由于点P在椭圆上,所以+y=1.
所以=.
因为-
所以m=x0,因此-
则直线l的方程为y-y0=k(x-x0).
联立得
整理得(1+4k2)x2+8(ky0-k2x0)x+4(y-2kx0y0+k2x-1)=0.
由题意Δ=0,即(4-x)k2+2x0y0k+1-y=0.
又+y=1,
所以16yk2+8x0y0k+x=0,故k=-.
由(2)知+=+=,
所以+==·=-8,
因此+为定值,这个定值为-8.
素养提升 典例的解题过程体现了数学运算素养,其中设出P点的坐标而不求解又体现了数学运算素养中的一个运算技巧——设而不求,从而简化了运算过程.
1.(2018·相阳教育模拟)设F1,F2为椭圆C:+=1(b>0)的左、右焦点,M为椭圆上一点,满足MF1⊥MF2,已知△MF1F2的面积为1.
(1)求C的方程;
(2)设C的上顶点为H,过点(2,-1)的直线与椭圆交于R,S两点(异于H),求证:直线HR和HS的斜率之和为定值,并求出这个定值.
解 (1)由椭圆定义得|MF1|+|MF2|=4,①
由垂直得|MF1|2+|MF2|2=|F1F2|2=4(4-b2),②
由题意得=|MF1|·|MF2|=1,③
由①②③,可得b2=1,C的方程为+y2=1.
(2)依题意,H(0,1),显然直线的斜率存在且不为0,
设直线RS的方程为y=kx+m(k≠0),
代入椭圆方程化简得(4k2+1)x2+8kmx+4m2-4=0.
由题意知,Δ=16(4k2-m2+1)>0,
设R(x1,y1),S(x2,y2),x1x2≠0,
故x1+x2=,x1x2=.
kHR+kHS=+=+
=2k+(m-1)=2k+(m-1)
=2k-==-1.
故kHR+kHS为定值-1.
2.(2018·威海模拟)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点F,直线y=4与y轴的交点为P,与抛物线C的交点为Q,且|QF|=2|PQ|.
(1)求p的值;
(2)已知点T(t,-2)为C上一点,M,N是C上异于点T的两点,且满足直线TM和直线TN的斜率之和为-,证明:直线MN恒过定点,并求出定点的坐标.
解 (1)设Q(x0,4),由抛物线定义,|QF|=x0+,
又|QF|=2|PQ|,即2x0=x0+,解得x0=,
将点Q代入抛物线方程,解得p=4.
(2)由(1)知C的方程为y2=8x,
所以点T坐标为.
设直线MN的方程为x=my+n,
点M,N,
由得y2-8my-8n=0,
Δ=64m2+32n>0,
所以y1+y2=8m,y1y2=-8n,
所以kMT+kNT=+=+
===-,
解得n=m-1.
所以直线MN的方程为x+1=m(y+1),
恒过定点(-1,-1).
3.(2018·辽阳调研)已知抛物线C1的方程为x2=2py(p>0),过点M(a,-2p)(a为常数)作抛物线C1的两条切线,切点分别为A,B.
(1)过焦点且在x轴上截距为2的直线l与抛物线C1交于Q,N两点,Q,N两点在x轴上的射影分别为Q′,N′,且|Q′N′|=2,求抛物线C1的方程;
(2)设直线AM,BM的斜率分别为k1,k2.求证:k1·k2为定值.
(1)解 因为抛物线C1的焦点坐标是,
所以过焦点且在x轴上截距为2的直线方程是+=1,即+=1.
联立
消去y并整理,得x2+x-p2=0,
显然Δ>0恒成立,
设点Q(xQ,yQ),N(xN,yN),
则xQ+xN=-,xQxN=-p2.
则|Q′N′|=|xQ-xN|
=
=
= =2,
解得p=2.所以抛物线C1的方程为x2=4y.
(2)证明 设点A(x1,y1),B(x2,y2)(x1>0,x2<0).
依题意,由x2=2py(p>0),得y=,则y′=.
所以切线MA的方程是y-y1=(x-x1),
即y=x-.
又点M(a,-2p)在直线MA上,
于是有-2p=×a-,
即x-2ax1-4p2=0.
同理,有x-2ax2-4p2=0,
因此,x1,x2是方程x2-2ax-4p2=0的两根,
则x1+x2=2a,x1x2=-4p2.
所以k1·k2=·===-4,
故k1·k2为定值得证.
4.已知中心在原点,焦点在x轴上的椭圆C的离心率为,过左焦点F且垂直于x轴的直线交椭圆C于P,Q两点,且|PQ|=2.
(1)求C的方程;
(2)若直线l是圆x2+y2=8上的点(2,2)处的切线,点M是直线l上任一点,过点M作椭圆C的切线MA,MB,切点分别为A,B,设切线的斜率都存在.求证:直线AB过定点,并求出该定点的坐标.
解 (1)由已知,设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),
因为|PQ|=2,不妨设点P(-c,),
代入椭圆方程得,+=1,
又因为e==,
所以+=1,b=c,
所以b2=4,a2=2b2=8,
所以C的方程为+=1.
(2)依题设,得直线l的方程为y-2=-(x-2),
即x+y-4=0,
设M(x0,y0),A(x1,y1),B(x2,y2),x0≠x1且x0≠x2,
由切线MA的斜率存在,设其方程为y-y1=k(x-x1),
联立
得(2k2+1)x2+4k(y1-kx1)x+2(y1-kx1)2-8=0,
由相切得Δ=16k2(y1-kx1)2-8(2k2+1)[(y1-kx1)2-4]=0,
化简得(y1-kx1)2=8k2+4,
即(x-8)k2-2x1y1k+y-4=0,
因为方程只有一解,
所以k===-,
所以切线MA的方程为y-y1=-(x-x1),
即x1x+2y1y=8,
同理,切线MB的方程为x2x+2y2y=8,
又因为两切线都经过点M(x0,y0),
所以
所以直线AB的方程为x0x+2y0y=8,
又x0+y0=4,
所以直线AB的方程可化为x0x+2(4-x0)y=8,
即x0(x-2y)+8y-8=0,
令得
所以直线AB恒过定点(2,1).
5.(2018·抚顺模拟)设椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e=,左顶点M到直线+=1的距离d=,O为坐标原点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设直线l与椭圆C相交于A,B两点,若以AB为直径的圆经过坐标原点,证明:点O到直线AB的距离为定值.
(1)解 由e=,得c=a,又b2=a2-c2,
所以b=a,即a=2b.
由左顶点M(-a,0)到直线+=1,
即到直线bx+ay-ab=0的距离d=,
得=,即=,
把a=2b代入上式,得=,解得b=1.
所以a=2b=2,c=.
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明 设A(x1,y1),B(x2,y2),
①当直线AB的斜率不存在时,由椭圆的对称性,
可知x1=x2,y1=-y2.
因为以AB为直径的圆经过坐标原点,故·=0,
即x1x2+y1y2=0,也就是x-y=0,
又点A在椭圆C上,所以+y=1,
解得|x1|=|y1|=.
此时点O到直线AB的距离d1=|x1|=.
②当直线AB的斜率存在时,
设直线AB的方程为y=kx+m,
与椭圆方程联立有
消去y,得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-4=0,
所以x1+x2=-,x1x2=.
因为以AB为直径的圆过坐标原点O,所以OA⊥OB,
所以·=x1x2+y1y2=0,
所以(1+k2)x1x2+km(x1+x2)+m2=0,
所以(1+k2)·-+m2=0,
整理得5m2=4(k2+1),
所以点O到直线AB的距离d1==.
综上所述,点O到直线AB的距离为定值.
6.已知椭圆C:+=1(a>b>0)经过与两点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过原点的直线l与椭圆C交于A,B两点,椭圆C上一点M满足|MA|=|MB|.求证:++为定值.
(1)解 将与两点代入椭圆C的方程,得解得
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)证明 由|MA|=|MB|,知M在线段AB的垂直平分线上,由椭圆的对称性知点A,B关于原点对称.
①若点A,B是椭圆的短轴顶点,则点M是椭圆的一个长轴顶点,此时
++
=++=2=.
同理,若点A,B是椭圆的长轴顶点,则点M是椭圆的一个短轴顶点,此时
++
=++=2=.
②若点A,B,M不是椭圆的顶点,设直线l的方程为y=kx(k≠0),
则直线OM的方程为y=-x,
设A(x1,y1),B(x2,y2),由
解得x=,y=,
所以|OA|2=|OB|2=x+y=,
同理,|OM|2=.
所以++
=2×+=.
综上,++=为定值.
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