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所属成套资源:2020高考数学文科大一轮复习导学案
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2020高考数学文科大一轮复习导学案:第八章平面解析几何8.8
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知识点一 直线与圆锥曲线的位置关系
1.直线与圆锥曲线的位置关系
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(也可以消去x)得到一个关于变量x(或变量y)的一元方程.
即消去y,得ax2+bx+c=0.
(1)当a≠0时,设一元二次方程ax2+bx+c=0的判别式为Δ,则Δ>0⇔直线与圆锥曲线C相交;
Δ=0⇔直线与圆锥曲线C相切;
Δ<0⇔直线与圆锥曲线C相离.
(2)当a=0,b≠0时,即得到一个一元一次方程,则直线l与圆锥曲线C相交,且只有一个交点,此时,若C为双曲线,则直线l与双曲线的渐近线的位置关系是平行;若C为抛物线,则直线l与抛物线的对称轴的位置关系是平行或重合.
2.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|=·.
1.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3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).
2.已知直线y=x+m被椭圆4x2+y2=1截得的弦长为,则m的值为±1.
解析:把直线y=x+m代入椭圆方程得4x2+(x+m)2=1,即5x2+2mx+m2-1=0,
设该直线与椭圆相交于两点A(x1,y1),B(x2,y2),则x1,x2是方程5x2+2mx+m2-1=0的两根,Δ=4m2-20(m2-1)=-16m2+20>0,即m2<.由韦达定理可得x1+x2=-,x1·x2=,所以|AB|=·=·=,所以m=±1.
3.椭圆+y2=1的弦被点平分,则这条弦所在的直线方程是2x+4y-3=0.
解析:设弦的两个端点为A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=1,y1+y2=1.
∵A,B在椭圆上,∴+y=1,+y=1.
+(y1+y2)(y1-y2)=0,
即=-=-,
即直线AB的斜率为-.
∴直线AB的方程为y-=-,
即2x+4y-3=0.
知识点二 圆锥曲线中的最值与取值范围问题
圆锥曲线中的最值与取值范围问题一直是高考命题的热点,各种题型都有,命题角度很广,归纳起来常见的命题角度有:
1.转化为函数利用基本不等式或二次函数求最值;
2.利用三角函数有界性求最值;
3.数形结合利用几何性质求最值.
4.斜率为1的直线l与椭圆+y2=1相交于A,B两点,则|AB|的最大值为( C )
A.2 B.
C. D.
解析:设A,B两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),直线l的方程为y=x+t,由消去y,得5x2+8tx+4(t2-1)=0.则x1+x2=-t,x1x2=.所以|AB|=|x1-x2|=·
=·=·,当t=0时,|AB|max=.
知识点三 圆锥曲线中的定值与定点问题
1.这类问题一般考查直线与圆锥曲线的位置关系,一元二次方程的根与系数之间的关系,考查斜率、向量的运算以及运算能力.
2.解决这类定点与定值问题的方法有两种:一是研究一般情况,通过逻辑推理与计算得到定点或定值,这种方法难度大,运算量大,且思路不好寻找;另外一种方法就是先利用特殊情况确定定点或定值,然后验证,这样在整理式子或求值时就有了明确的方向.
5.设a>0为常数,动点M(x,y)(y≠0)分别与两定点F1(-a,0),F2(a,0)的连线的斜率之积为定值λ,若点M的轨迹是离心率为的双曲线,则λ的值为( A )
A.2 B.-2
C.3 D.
解析:轨迹方程为·=λ,整理,得-=1(λ>0),c2=a2(1+λ),1+λ==3.λ=2,故选A.
1.中点弦问题的常用方法
(1)利用根与系数的关系:将直线方程代入圆锥曲线的方程,消元后得到一个一元二次方程,利用根与系数的关系和中点坐标公式建立等式求解.
(2)点差法:若直线l与圆锥曲线C有两个交点A,B,一般地,首先设出A(x1,y1),B(x2,y2),代入曲线方程,通过作差,构造出x1+x2,y1+y2,x1-x2,y1-y2,从而建立中点坐标和斜率的关系.
2.弦长问题有两种形式
①|AB|=·|x1-x2|
=;
②|AB|=·|y1-y2|
=.
其中第二种形式应用比较巧妙.直线方程可设为x=my+n的形式,这样可以有效避免直线斜率不存在的讨论,但也要注意斜率为0的特殊情况.第1课时 最值、范围、证明问题
考向一 最值问题
方向1 利用几何性质求最值
【例1】 已知抛物线的方程为y2=4x,直线l的方程为x-y+4=0,在抛物线上有一动点P到y轴的距离为d1,P到直线l的距离为d2,则d1+d2的最小值为( )
A.+2 B.+1
C.-2 D.-1
【解析】 如图,过点P作PA⊥l于点A,作PB⊥y轴于点B,PB的延长线交准线x=-1于点C,连接PF,根据抛物线的定义得|PA|+|PC|=|PA|+|PF|.
∵P到y轴的距离为d1,P到直线l的距离为d2,
∴d1+d2=|PA|+|PB|=(|PA|+|PC|)-1=(|PA|+|PF|)-1.
根据平面几何知识,可得当P,A,F三点共线时,PA+PF有最小值.
∵F(1,0)到直线l:x-y+4=0的距离为=,∴|PA|+|PF|的最小值是,
由此可得d1+d2的最小值为-1.
【答案】 D
方向2 利用函数、不等式求最值
【例2】 (2019·福建模拟)已知椭圆Γ的中心在原点,焦点在x轴上,焦距为2,且长轴长是短轴长的倍.
(1)求椭圆Γ的标准方程;
(2)设P(2,0),过椭圆Γ左焦点F的直线l交Γ于A,B两点,若对满足条件的任意直线l,不等式·≤λ(λ∈R)恒成立,求λ的最小值.
【解】 (1)依题意,解得a2=2,b2=1,
∴椭圆Γ的标准方程为+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),∴·=(x1-2,y1)·(x2-2,y2)=(x1-2)·(x2-2)+y1y2,当直线l垂直于x轴时,x1=x2=-1,y1=-y2且y=,此时=(-3,y1),=(-3,y2)=(-3,-y1),
∴·=(-3)2-y=.
当直线l不垂直于x轴时,设直线l:y=k(x+1),由得(1+2k2)x2+4k2x+2k2-2=0,
∴x1+x2=-,x1x2=,
∴·=x1x2-2(x1+x2)+4+k2(x1+1)(x2+1)=(1+k2)x1x2+(k2-2)(x1+x2)+4+k2=(1+k2)·-(k2-2)·+4+k2==-<,
要使不等式·≤λ(λ∈R)恒成立,
只需λ≥(·)max=,即λ的最小值为.
最值问题的两种常见解法
(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.
1.(方向1)在平面直角坐标系xOy中,P为双曲线x2-y2=1右支上的一个动点.若点P到直线x-y+1=0的距离大于c恒成立,则实数c的最大值为.
解析:双曲线x2-y2=1的渐近线为x±y=0,直线x-y+1=0与渐近线x-y=0平行,故两平行线的距离d==.由点P到直线x-y+1=0的距离大于c恒成立,得c≤,故c的最大值为.
2.(方向2)(2018·浙江卷)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.
解:(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2=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)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.
考向二 范围问题
【例3】 (2019·福建龙岩质检)在平面直角坐标系xOy中,圆x2+y2+2x-15=0的圆心为M.已知点N(1,0),且T为圆M上的动点,线段TN的垂直平分线交TM于点P.
(1)求点P的轨迹方程;
(2)设点P的轨迹为曲线C1,抛物线C2:y2=2px的焦点为N.l1,l2是过点N互相垂直的两条直线,直线l1与曲线C1交于A,C两点,直线l2与曲线C2交于B,D两点,求四边形ABCD面积的取值范围.
【解】 (1)∵P为线段TN垂直平分线上一点,
∴|PM|+|PN|=|PM|+|PT|=|TM|=4,
∵M(-1,0),N(1,0),∵4>|MN|=2,
∴P的轨迹是以M(-1,0),N(1,0)为焦点,长轴长为4的椭圆,它的方程为+=1.
(2)∵y2=2px的焦点为(1,0),C2的方程为y2=4x,
当直线l1斜率不存在时,l2与C2只有一个交点,不合题意.
当直线l1斜率为0时,可求得|AC|=4,|BD|=4,
∴S四边形ABCD=·|AC|·|BD|=8.
当直线l1斜率存在且不为0时,
方程可设为y=k(x-1)(k≠0),代入+=1,得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0,Δ=144(k2+1)>0,
设A(x1,y1),C(x2,y2),
则x1+x2=,x1x2=,
|AC|=|x1-x2|
==.
直线l2的方程为y=-(x-1)与y2=4x联立可得x2-(2+4k2)x+1=0,
设B(x3,y3),D(x4,y4),则|BD|=x3+x4+2=4+4k2,
∴四边形ABCD的面积
S=|AC||BD|=(4+4k2)·=.令3+4k2=t,则k2=(t>3),
S(t)==,
∴S(t)在(3,+∞)是增函数,S(t)>S(3)=8,
综上,四边形ABCD面积的取值范围是[8,+∞).
解决圆锥曲线中的取值范围问题的5种常用解法
(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.
已知点F为椭圆E:+=1(a>b>0)的左焦点,且两焦点与短轴的一个顶点构成一个等边三角形,直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M.
(1)求椭圆E的方程;
(2)设直线+=1与y轴交于P,过点P的直线l与椭圆E交于不同的两点A,B,若λ|PM|2=|PA|·|PB|,求实数λ的取值范围.
解:(1)由题意,得a=2c,b=c,则椭圆E为+=1.
由得x2-2x+4-3c2=0.
∵直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M,
∴Δ=4-4(4-3c2)=0⇒c2=1,
∴椭圆E的方程为+=1.
(2)由(1)得M(1,),
∵直线+=1与y轴交于P(0,2),
∴|PM|2=,当直线l与x轴垂直时,
|PA|·|PB|=(2+)×(2-)=1,
∴λ|PM|2=|PA|·|PB|⇒λ=,
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为y=kx+2,A(x1,y1),B(x2,y2),
由⇒(3+4k2)x2+16kx+4=0,
依题意得,x1x2=,且Δ=48(4k2-1)>0,
∴|PA|·|PB|=(1+k2)x1x2
=(1+k2)·=1+=λ,
∴λ=(1+),
∵k2>,∴<λ<1.
综上所述,λ的取值范围是[,1).
考向三 证明问题
【例4】 已知抛物线C:y2=2px(p>0),焦点为F,O为坐标原点,直线AB(不垂直于x轴)过点F且与抛物线C交于A,B两点,直线OA与OB的斜率之积为-p.
(1)求抛物线C的方程;
(2)若M为线段AB的中点,射线OM交抛物线C于点D,求证:>2.
【解】 (1)设A(x1,y1),B(x2,y2),直线AB(不垂直于x轴)的方程可设为y=k(k≠0).
∵直线AB过点F且与抛物线C交于A,B两点,∴y=2px1,y=2px2.
∵直线OA与OB的斜率之积为-p,
∴=-p,∴2=p2,得x1x2=4.
由
得k2x2-(k2p+2p)x+=0,
其中Δ=(k2p+2p)2-k2p2k2>0,
∴x1+x2=,x1x2=,
∴p=4,∴抛物线C的方程为y2=8x.
(2)证明:设M(x0,y0),D(x3,y3),
∵M为线段AB的中点,∴x0=(x1+x2)==,y0=k(x0-2)=,∴直线OD的斜率kOD==,
∴直线OD的方程为y=x,代入抛物线方程y2=8x,得x3=,∴=k2+2,∵k2>0,∴==k2+2>2.
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.
已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,点B是椭圆C的上顶点,点Q在椭圆C上(异于B点).
(1)若椭圆C过点,求椭圆C的方程;
(2)若直线l:y=kx+b与椭圆C交于B,P两点,以线段PQ为直径的圆过点B,证明:存在k∈R,使得=.
解:(1)依题意得=,+=1,a2=b2+c2,解得a2=4,b2=2,故椭圆C的方程为+=1.
(2)证明:由椭圆的对称性,不妨假设存在k>0,使得=.
由题意得a2=2b2,则椭圆C:+=1,
联立直线l与椭圆C的方程可得(1+2k2)x2+4kbx=0,解得xP=-,所以|BP|=×,
因为BP⊥BQ,所以|BQ|=×=×,
因为=,所以2×=×,
即2k3-2k2+4k-1=0.记f(x)=2x3-2x2+4x-1,
因为f<0,f>0,
所以函数f(x)存在零点,
所以存在k∈R,使得=.
第2课时 定点、定值、探究性问题
考向一 定点问题
【例1】 已知椭圆C:+=1(a>b>0),四点P1(1,1),P2(0,1),P3(-1,),P4(1,)中恰有三点在椭圆C上.
(1)求C的方程;
(2)设直线l不经过P2点且与C相交于A,B两点.若直线P2A与直线P2B的斜率的和为-1,证明:l过定点.
【解】 (1)由于P3,P4两点关于y轴对称,故由题设知椭圆必过P3,P4两点,又由+>+知C不经过点P1,所以点P2在椭圆C上.将点P2(0,1),P3的坐标代入椭圆方程得解得
∴椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明:①当直线l斜率不存在时,设l:x=m,A(m,yA),B(m,-yA),kP2A+kP2B=+==-1,得m=2.此时l过椭圆右顶点,不存在两个交点,故不满足.
②当直线l斜率存在时,设l:y=kx+b(b≠1),A(x1,y1),B(x2,y2),
联立
消去y并整理得(1+4k2)x2+8kbx+4b2-4=0.∴x1+x2=,x1·x2=,则kP2A+kP2B=+
=
=
===-1.
又∵b≠1,∴b=-2k-1,此时Δ=-64k,存在k使得Δ>0成立.
∴直线l的方程为y=kx-2k-1,即y=k(x-2)-1.当x=2时,y=-1,所以l过定点(2,-1).
解决圆锥曲线中定点问题的基本思路
(1)把直线或者曲线方程中的变量x,y当作常数看待,把常量当作未知数,将方程一端化为0,即化为kf(x,y)+g(x,y)=0的形式(这里把常量k当作未知数).
(2)既然是过定点,那么这个方程就要对任意参数都成立,这时参数的系数就要全部等于0,这样就得到一个关于x,y的方程组,即
(3)这个方程组的解所确定的点就是直线或曲线所过的定点,即满足的点(x0,y0)为直线或曲线所过的定点.
椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率e=,过F2作与x轴垂直的直线交椭圆C于A,B两点,△F1AB的面积为3,抛物线E:y2=2px(p>0)以椭圆C的右焦点F2为焦点.
(1)求抛物线E的方程;
(2)如图,点P(t≠0)为抛物线E的准线上一点,过点P作y轴的垂线交抛物线于点M,连接PO并延长交抛物线于点N,求证:直线MN过定点.
解:(1)设F2(c,0)(c>0),
令x=c代入椭圆C的方程有:|yA|=,
∵e=,∴a=2c.
∴S△F1AB=×2c×2|yA|=3.
∴b2=3,由a2=b2+c2,得a2=4,c=1.
∴p=2.
故抛物线E的方程为y2=4x.
(2)证明:由(1)知:P(-1,t)(t≠0),
则M.
直线PO的方程为y=-tx,代入抛物线E的方程有N.
当t2≠4时,kMN==,
∴直线MN的方程为y-t=,
即y=(x-1).
∴此时直线MN过定点(1,0).
当t2=4时,直线MN的方程为x=1,此时仍过点(1,0),即证直线MN过定点.
考向二 定值问题
【例2】 (2019·安徽蚌埠模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左顶点为M,上顶点为N,直线2x+y-6=0与直线MN垂直,垂足为B点,且点N是线段MB的中点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)若直线l:y=kx+m与椭圆C交于E,F两点,点G在椭圆C上,且四边形OEGF为平行四边形,求证:四边形OEGF的面积S为定值.
【解】 (1)由题意知,M(-a,0),N(0,b),
直线MN的斜率k==,得a=2b.
∵点N是线段MB的中点,
∴点B的坐标为B(a,2b),
∵点B在直线2x+y-6=0上,
∴2a+2b=6,又a=2b,
∴b=,a=2,
∴椭圆C的方程为+=1.
(2)证明:设E(x1,y1),F(x2,y2),G(x0,y0),将y=kx+m代入+=1,消去y整理得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-12=0,则x1+x2=-,x1·x2=,y1+y2=k(x1+x2)+2m=,
∵四边形OEGF为平行四边形,
∴=+=(x1+x2,y1+y2),
得G,将G点坐标代入椭圆C的方程得m2=(1+4k2),又易得点O到直线EF的距离d=,EF=|x1-x2|,
∴平行四边形OEGF的面积S=d·|EF|=
|m||x1-x2|=|m|·
=4×=4×
=4=3.
故平行四边形OEGF的面积S为定值3.
圆锥曲线中定值问题的特点及两大解法
(1)特点:待证几何量不受动点或动线的影响而有固定的值.
(2)两大解法:
①从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变量无关;
②引进变量法:其解题流程为
椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e=,a+b=3.
(1)求椭圆C的方程.
(2)如图,A,B,D是椭圆C的顶点,P是椭圆C上除顶点外的任意一点,直线DP交x轴于点N,直线AD交BP于点M,设BP的斜率为k,MN的斜率为m.证明:2m-k为定值.
解:(1)因为e==,
所以a=c,b=c.
代入a+b=3得,c=,a=2,b=1.
故椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明:因为B(2,0),P不为椭圆顶点,
则直线BP的方程为y=k(x-2),①
把①代入+y2=1,
解得P.
直线AD的方程为y=x+1.②
①与②联立解得M.
由D(0,1),P,N(x,0)三点共线知=,得N.
所以MN的斜率为m=
==,
则2m-k=-k=(定值).
考向三 探究性问题
【例3】如图,椭圆长轴的端点为A,B,O为椭圆的中心,F为椭圆的右焦点,且·=1,||=1.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)记椭圆的上顶点为M,直线l交椭圆于P,Q两点,问:是否存在直线l,使点F恰为△PQM的垂心,若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由.
【解】 (1)设椭圆方程为+=1(a>b>0),则c=1,
又∵·=(a+c)·(a-c)=a2-c2=1.∴a2=2,b2=1,
故椭圆的方程为+y2=1.
(2)假设存在直线l交椭圆于P,Q两点,且F恰为△PQM的垂心,设P(x1,y1),Q(x2,y2),
∵M(0,1),F(1,0),
∴直线l的斜率k=1.
于是设直线l为y=x+m,由
得3x2+4mx+2m2-2=0,
x1+x2=-m,x1x2=.
∵·=x1(x2-1)+y2(y1-1)=0.
又yi=xi+m(i=1,2),
∴x1(x2-1)+(x2+m)(x1+m-1)=0,
即2x1x2+(x1+x2)(m-1)+m2-m=0.
即2·-(m-1)+m2-m=0,
解得m=-或m=1,当m=1时,M,P,Q三点不能构成三角形,不符合条件,
故存在直线l,使点F恰为△PQM的垂心,直线l的方程为y=x-.
解决是否存在直线的问题时,可依据条件寻找适合条件的直线方程,联立方程消元得出一元二次方程,利用判别式得出是否有解.
已知中心在坐标原点O的椭圆C经过点A(2,3),且点F(2,0)为其右焦点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)是否存在平行于OA的直线l,使得直线l与椭圆C有公共点,且直线OA与l的距离等于4?若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由.
解:(1)依题意,可设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),且可知其左焦点为F′(-2,0).
从而有解得
又a2=b2+c2,所以b2=12.
故椭圆C的方程为+=1.
(2)假设存在符合题意的直线l,
设其方程为y=x+t.
由得3x2+3tx+t2-12=0.
因为直线l与椭圆C有公共点,
所以Δ=(3t)2-4×3(t2-12)=144-3t2≥0,解得-4≤t≤4.
另一方面,由直线OA与l的距离等于4,
可得=4,从而t=±2.
由于±2∉[-4,4],
所以符合题意的直线l不存在.
知识点一 直线与圆锥曲线的位置关系
1.直线与圆锥曲线的位置关系
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(也可以消去x)得到一个关于变量x(或变量y)的一元方程.
即消去y,得ax2+bx+c=0.
(1)当a≠0时,设一元二次方程ax2+bx+c=0的判别式为Δ,则Δ>0⇔直线与圆锥曲线C相交;
Δ=0⇔直线与圆锥曲线C相切;
Δ<0⇔直线与圆锥曲线C相离.
(2)当a=0,b≠0时,即得到一个一元一次方程,则直线l与圆锥曲线C相交,且只有一个交点,此时,若C为双曲线,则直线l与双曲线的渐近线的位置关系是平行;若C为抛物线,则直线l与抛物线的对称轴的位置关系是平行或重合.
2.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|=·.
1.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3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).
2.已知直线y=x+m被椭圆4x2+y2=1截得的弦长为,则m的值为±1.
解析:把直线y=x+m代入椭圆方程得4x2+(x+m)2=1,即5x2+2mx+m2-1=0,
设该直线与椭圆相交于两点A(x1,y1),B(x2,y2),则x1,x2是方程5x2+2mx+m2-1=0的两根,Δ=4m2-20(m2-1)=-16m2+20>0,即m2<.由韦达定理可得x1+x2=-,x1·x2=,所以|AB|=·=·=,所以m=±1.
3.椭圆+y2=1的弦被点平分,则这条弦所在的直线方程是2x+4y-3=0.
解析:设弦的两个端点为A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=1,y1+y2=1.
∵A,B在椭圆上,∴+y=1,+y=1.
+(y1+y2)(y1-y2)=0,
即=-=-,
即直线AB的斜率为-.
∴直线AB的方程为y-=-,
即2x+4y-3=0.
知识点二 圆锥曲线中的最值与取值范围问题
圆锥曲线中的最值与取值范围问题一直是高考命题的热点,各种题型都有,命题角度很广,归纳起来常见的命题角度有:
1.转化为函数利用基本不等式或二次函数求最值;
2.利用三角函数有界性求最值;
3.数形结合利用几何性质求最值.
4.斜率为1的直线l与椭圆+y2=1相交于A,B两点,则|AB|的最大值为( C )
A.2 B.
C. D.
解析:设A,B两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),直线l的方程为y=x+t,由消去y,得5x2+8tx+4(t2-1)=0.则x1+x2=-t,x1x2=.所以|AB|=|x1-x2|=·
=·=·,当t=0时,|AB|max=.
知识点三 圆锥曲线中的定值与定点问题
1.这类问题一般考查直线与圆锥曲线的位置关系,一元二次方程的根与系数之间的关系,考查斜率、向量的运算以及运算能力.
2.解决这类定点与定值问题的方法有两种:一是研究一般情况,通过逻辑推理与计算得到定点或定值,这种方法难度大,运算量大,且思路不好寻找;另外一种方法就是先利用特殊情况确定定点或定值,然后验证,这样在整理式子或求值时就有了明确的方向.
5.设a>0为常数,动点M(x,y)(y≠0)分别与两定点F1(-a,0),F2(a,0)的连线的斜率之积为定值λ,若点M的轨迹是离心率为的双曲线,则λ的值为( A )
A.2 B.-2
C.3 D.
解析:轨迹方程为·=λ,整理,得-=1(λ>0),c2=a2(1+λ),1+λ==3.λ=2,故选A.
1.中点弦问题的常用方法
(1)利用根与系数的关系:将直线方程代入圆锥曲线的方程,消元后得到一个一元二次方程,利用根与系数的关系和中点坐标公式建立等式求解.
(2)点差法:若直线l与圆锥曲线C有两个交点A,B,一般地,首先设出A(x1,y1),B(x2,y2),代入曲线方程,通过作差,构造出x1+x2,y1+y2,x1-x2,y1-y2,从而建立中点坐标和斜率的关系.
2.弦长问题有两种形式
①|AB|=·|x1-x2|
=;
②|AB|=·|y1-y2|
=.
其中第二种形式应用比较巧妙.直线方程可设为x=my+n的形式,这样可以有效避免直线斜率不存在的讨论,但也要注意斜率为0的特殊情况.第1课时 最值、范围、证明问题
考向一 最值问题
方向1 利用几何性质求最值
【例1】 已知抛物线的方程为y2=4x,直线l的方程为x-y+4=0,在抛物线上有一动点P到y轴的距离为d1,P到直线l的距离为d2,则d1+d2的最小值为( )
A.+2 B.+1
C.-2 D.-1
【解析】 如图,过点P作PA⊥l于点A,作PB⊥y轴于点B,PB的延长线交准线x=-1于点C,连接PF,根据抛物线的定义得|PA|+|PC|=|PA|+|PF|.
∵P到y轴的距离为d1,P到直线l的距离为d2,
∴d1+d2=|PA|+|PB|=(|PA|+|PC|)-1=(|PA|+|PF|)-1.
根据平面几何知识,可得当P,A,F三点共线时,PA+PF有最小值.
∵F(1,0)到直线l:x-y+4=0的距离为=,∴|PA|+|PF|的最小值是,
由此可得d1+d2的最小值为-1.
【答案】 D
方向2 利用函数、不等式求最值
【例2】 (2019·福建模拟)已知椭圆Γ的中心在原点,焦点在x轴上,焦距为2,且长轴长是短轴长的倍.
(1)求椭圆Γ的标准方程;
(2)设P(2,0),过椭圆Γ左焦点F的直线l交Γ于A,B两点,若对满足条件的任意直线l,不等式·≤λ(λ∈R)恒成立,求λ的最小值.
【解】 (1)依题意,解得a2=2,b2=1,
∴椭圆Γ的标准方程为+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),∴·=(x1-2,y1)·(x2-2,y2)=(x1-2)·(x2-2)+y1y2,当直线l垂直于x轴时,x1=x2=-1,y1=-y2且y=,此时=(-3,y1),=(-3,y2)=(-3,-y1),
∴·=(-3)2-y=.
当直线l不垂直于x轴时,设直线l:y=k(x+1),由得(1+2k2)x2+4k2x+2k2-2=0,
∴x1+x2=-,x1x2=,
∴·=x1x2-2(x1+x2)+4+k2(x1+1)(x2+1)=(1+k2)x1x2+(k2-2)(x1+x2)+4+k2=(1+k2)·-(k2-2)·+4+k2==-<,
要使不等式·≤λ(λ∈R)恒成立,
只需λ≥(·)max=,即λ的最小值为.
最值问题的两种常见解法
(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.
1.(方向1)在平面直角坐标系xOy中,P为双曲线x2-y2=1右支上的一个动点.若点P到直线x-y+1=0的距离大于c恒成立,则实数c的最大值为.
解析:双曲线x2-y2=1的渐近线为x±y=0,直线x-y+1=0与渐近线x-y=0平行,故两平行线的距离d==.由点P到直线x-y+1=0的距离大于c恒成立,得c≤,故c的最大值为.
2.(方向2)(2018·浙江卷)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.
解:(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2=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)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.
考向二 范围问题
【例3】 (2019·福建龙岩质检)在平面直角坐标系xOy中,圆x2+y2+2x-15=0的圆心为M.已知点N(1,0),且T为圆M上的动点,线段TN的垂直平分线交TM于点P.
(1)求点P的轨迹方程;
(2)设点P的轨迹为曲线C1,抛物线C2:y2=2px的焦点为N.l1,l2是过点N互相垂直的两条直线,直线l1与曲线C1交于A,C两点,直线l2与曲线C2交于B,D两点,求四边形ABCD面积的取值范围.
【解】 (1)∵P为线段TN垂直平分线上一点,
∴|PM|+|PN|=|PM|+|PT|=|TM|=4,
∵M(-1,0),N(1,0),∵4>|MN|=2,
∴P的轨迹是以M(-1,0),N(1,0)为焦点,长轴长为4的椭圆,它的方程为+=1.
(2)∵y2=2px的焦点为(1,0),C2的方程为y2=4x,
当直线l1斜率不存在时,l2与C2只有一个交点,不合题意.
当直线l1斜率为0时,可求得|AC|=4,|BD|=4,
∴S四边形ABCD=·|AC|·|BD|=8.
当直线l1斜率存在且不为0时,
方程可设为y=k(x-1)(k≠0),代入+=1,得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0,Δ=144(k2+1)>0,
设A(x1,y1),C(x2,y2),
则x1+x2=,x1x2=,
|AC|=|x1-x2|
==.
直线l2的方程为y=-(x-1)与y2=4x联立可得x2-(2+4k2)x+1=0,
设B(x3,y3),D(x4,y4),则|BD|=x3+x4+2=4+4k2,
∴四边形ABCD的面积
S=|AC||BD|=(4+4k2)·=.令3+4k2=t,则k2=(t>3),
S(t)==,
∴S(t)在(3,+∞)是增函数,S(t)>S(3)=8,
综上,四边形ABCD面积的取值范围是[8,+∞).
解决圆锥曲线中的取值范围问题的5种常用解法
(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.
已知点F为椭圆E:+=1(a>b>0)的左焦点,且两焦点与短轴的一个顶点构成一个等边三角形,直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M.
(1)求椭圆E的方程;
(2)设直线+=1与y轴交于P,过点P的直线l与椭圆E交于不同的两点A,B,若λ|PM|2=|PA|·|PB|,求实数λ的取值范围.
解:(1)由题意,得a=2c,b=c,则椭圆E为+=1.
由得x2-2x+4-3c2=0.
∵直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M,
∴Δ=4-4(4-3c2)=0⇒c2=1,
∴椭圆E的方程为+=1.
(2)由(1)得M(1,),
∵直线+=1与y轴交于P(0,2),
∴|PM|2=,当直线l与x轴垂直时,
|PA|·|PB|=(2+)×(2-)=1,
∴λ|PM|2=|PA|·|PB|⇒λ=,
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为y=kx+2,A(x1,y1),B(x2,y2),
由⇒(3+4k2)x2+16kx+4=0,
依题意得,x1x2=,且Δ=48(4k2-1)>0,
∴|PA|·|PB|=(1+k2)x1x2
=(1+k2)·=1+=λ,
∴λ=(1+),
∵k2>,∴<λ<1.
综上所述,λ的取值范围是[,1).
考向三 证明问题
【例4】 已知抛物线C:y2=2px(p>0),焦点为F,O为坐标原点,直线AB(不垂直于x轴)过点F且与抛物线C交于A,B两点,直线OA与OB的斜率之积为-p.
(1)求抛物线C的方程;
(2)若M为线段AB的中点,射线OM交抛物线C于点D,求证:>2.
【解】 (1)设A(x1,y1),B(x2,y2),直线AB(不垂直于x轴)的方程可设为y=k(k≠0).
∵直线AB过点F且与抛物线C交于A,B两点,∴y=2px1,y=2px2.
∵直线OA与OB的斜率之积为-p,
∴=-p,∴2=p2,得x1x2=4.
由
得k2x2-(k2p+2p)x+=0,
其中Δ=(k2p+2p)2-k2p2k2>0,
∴x1+x2=,x1x2=,
∴p=4,∴抛物线C的方程为y2=8x.
(2)证明:设M(x0,y0),D(x3,y3),
∵M为线段AB的中点,∴x0=(x1+x2)==,y0=k(x0-2)=,∴直线OD的斜率kOD==,
∴直线OD的方程为y=x,代入抛物线方程y2=8x,得x3=,∴=k2+2,∵k2>0,∴==k2+2>2.
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.
已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,点B是椭圆C的上顶点,点Q在椭圆C上(异于B点).
(1)若椭圆C过点,求椭圆C的方程;
(2)若直线l:y=kx+b与椭圆C交于B,P两点,以线段PQ为直径的圆过点B,证明:存在k∈R,使得=.
解:(1)依题意得=,+=1,a2=b2+c2,解得a2=4,b2=2,故椭圆C的方程为+=1.
(2)证明:由椭圆的对称性,不妨假设存在k>0,使得=.
由题意得a2=2b2,则椭圆C:+=1,
联立直线l与椭圆C的方程可得(1+2k2)x2+4kbx=0,解得xP=-,所以|BP|=×,
因为BP⊥BQ,所以|BQ|=×=×,
因为=,所以2×=×,
即2k3-2k2+4k-1=0.记f(x)=2x3-2x2+4x-1,
因为f<0,f>0,
所以函数f(x)存在零点,
所以存在k∈R,使得=.
第2课时 定点、定值、探究性问题
考向一 定点问题
【例1】 已知椭圆C:+=1(a>b>0),四点P1(1,1),P2(0,1),P3(-1,),P4(1,)中恰有三点在椭圆C上.
(1)求C的方程;
(2)设直线l不经过P2点且与C相交于A,B两点.若直线P2A与直线P2B的斜率的和为-1,证明:l过定点.
【解】 (1)由于P3,P4两点关于y轴对称,故由题设知椭圆必过P3,P4两点,又由+>+知C不经过点P1,所以点P2在椭圆C上.将点P2(0,1),P3的坐标代入椭圆方程得解得
∴椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明:①当直线l斜率不存在时,设l:x=m,A(m,yA),B(m,-yA),kP2A+kP2B=+==-1,得m=2.此时l过椭圆右顶点,不存在两个交点,故不满足.
②当直线l斜率存在时,设l:y=kx+b(b≠1),A(x1,y1),B(x2,y2),
联立
消去y并整理得(1+4k2)x2+8kbx+4b2-4=0.∴x1+x2=,x1·x2=,则kP2A+kP2B=+
=
=
===-1.
又∵b≠1,∴b=-2k-1,此时Δ=-64k,存在k使得Δ>0成立.
∴直线l的方程为y=kx-2k-1,即y=k(x-2)-1.当x=2时,y=-1,所以l过定点(2,-1).
解决圆锥曲线中定点问题的基本思路
(1)把直线或者曲线方程中的变量x,y当作常数看待,把常量当作未知数,将方程一端化为0,即化为kf(x,y)+g(x,y)=0的形式(这里把常量k当作未知数).
(2)既然是过定点,那么这个方程就要对任意参数都成立,这时参数的系数就要全部等于0,这样就得到一个关于x,y的方程组,即
(3)这个方程组的解所确定的点就是直线或曲线所过的定点,即满足的点(x0,y0)为直线或曲线所过的定点.
椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率e=,过F2作与x轴垂直的直线交椭圆C于A,B两点,△F1AB的面积为3,抛物线E:y2=2px(p>0)以椭圆C的右焦点F2为焦点.
(1)求抛物线E的方程;
(2)如图,点P(t≠0)为抛物线E的准线上一点,过点P作y轴的垂线交抛物线于点M,连接PO并延长交抛物线于点N,求证:直线MN过定点.
解:(1)设F2(c,0)(c>0),
令x=c代入椭圆C的方程有:|yA|=,
∵e=,∴a=2c.
∴S△F1AB=×2c×2|yA|=3.
∴b2=3,由a2=b2+c2,得a2=4,c=1.
∴p=2.
故抛物线E的方程为y2=4x.
(2)证明:由(1)知:P(-1,t)(t≠0),
则M.
直线PO的方程为y=-tx,代入抛物线E的方程有N.
当t2≠4时,kMN==,
∴直线MN的方程为y-t=,
即y=(x-1).
∴此时直线MN过定点(1,0).
当t2=4时,直线MN的方程为x=1,此时仍过点(1,0),即证直线MN过定点.
考向二 定值问题
【例2】 (2019·安徽蚌埠模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左顶点为M,上顶点为N,直线2x+y-6=0与直线MN垂直,垂足为B点,且点N是线段MB的中点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)若直线l:y=kx+m与椭圆C交于E,F两点,点G在椭圆C上,且四边形OEGF为平行四边形,求证:四边形OEGF的面积S为定值.
【解】 (1)由题意知,M(-a,0),N(0,b),
直线MN的斜率k==,得a=2b.
∵点N是线段MB的中点,
∴点B的坐标为B(a,2b),
∵点B在直线2x+y-6=0上,
∴2a+2b=6,又a=2b,
∴b=,a=2,
∴椭圆C的方程为+=1.
(2)证明:设E(x1,y1),F(x2,y2),G(x0,y0),将y=kx+m代入+=1,消去y整理得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-12=0,则x1+x2=-,x1·x2=,y1+y2=k(x1+x2)+2m=,
∵四边形OEGF为平行四边形,
∴=+=(x1+x2,y1+y2),
得G,将G点坐标代入椭圆C的方程得m2=(1+4k2),又易得点O到直线EF的距离d=,EF=|x1-x2|,
∴平行四边形OEGF的面积S=d·|EF|=
|m||x1-x2|=|m|·
=4×=4×
=4=3.
故平行四边形OEGF的面积S为定值3.
圆锥曲线中定值问题的特点及两大解法
(1)特点:待证几何量不受动点或动线的影响而有固定的值.
(2)两大解法:
①从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变量无关;
②引进变量法:其解题流程为
椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e=,a+b=3.
(1)求椭圆C的方程.
(2)如图,A,B,D是椭圆C的顶点,P是椭圆C上除顶点外的任意一点,直线DP交x轴于点N,直线AD交BP于点M,设BP的斜率为k,MN的斜率为m.证明:2m-k为定值.
解:(1)因为e==,
所以a=c,b=c.
代入a+b=3得,c=,a=2,b=1.
故椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明:因为B(2,0),P不为椭圆顶点,
则直线BP的方程为y=k(x-2),①
把①代入+y2=1,
解得P.
直线AD的方程为y=x+1.②
①与②联立解得M.
由D(0,1),P,N(x,0)三点共线知=,得N.
所以MN的斜率为m=
==,
则2m-k=-k=(定值).
考向三 探究性问题
【例3】如图,椭圆长轴的端点为A,B,O为椭圆的中心,F为椭圆的右焦点,且·=1,||=1.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)记椭圆的上顶点为M,直线l交椭圆于P,Q两点,问:是否存在直线l,使点F恰为△PQM的垂心,若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由.
【解】 (1)设椭圆方程为+=1(a>b>0),则c=1,
又∵·=(a+c)·(a-c)=a2-c2=1.∴a2=2,b2=1,
故椭圆的方程为+y2=1.
(2)假设存在直线l交椭圆于P,Q两点,且F恰为△PQM的垂心,设P(x1,y1),Q(x2,y2),
∵M(0,1),F(1,0),
∴直线l的斜率k=1.
于是设直线l为y=x+m,由
得3x2+4mx+2m2-2=0,
x1+x2=-m,x1x2=.
∵·=x1(x2-1)+y2(y1-1)=0.
又yi=xi+m(i=1,2),
∴x1(x2-1)+(x2+m)(x1+m-1)=0,
即2x1x2+(x1+x2)(m-1)+m2-m=0.
即2·-(m-1)+m2-m=0,
解得m=-或m=1,当m=1时,M,P,Q三点不能构成三角形,不符合条件,
故存在直线l,使点F恰为△PQM的垂心,直线l的方程为y=x-.
解决是否存在直线的问题时,可依据条件寻找适合条件的直线方程,联立方程消元得出一元二次方程,利用判别式得出是否有解.
已知中心在坐标原点O的椭圆C经过点A(2,3),且点F(2,0)为其右焦点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)是否存在平行于OA的直线l,使得直线l与椭圆C有公共点,且直线OA与l的距离等于4?若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由.
解:(1)依题意,可设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),且可知其左焦点为F′(-2,0).
从而有解得
又a2=b2+c2,所以b2=12.
故椭圆C的方程为+=1.
(2)假设存在符合题意的直线l,
设其方程为y=x+t.
由得3x2+3tx+t2-12=0.
因为直线l与椭圆C有公共点,
所以Δ=(3t)2-4×3(t2-12)=144-3t2≥0,解得-4≤t≤4.
另一方面,由直线OA与l的距离等于4,
可得=4,从而t=±2.
由于±2∉[-4,4],
所以符合题意的直线l不存在.
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