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- 2021-06-16 发布
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高考达标检测(四十二) 圆锥曲线的综合问题——最值、
范围、证明问题
1.已知 A,B 分别是椭圆 C:x2
a2
+y2
b2
=1(a>b>0)的长轴与短轴的一个端点,F1,F2 分别
是椭圆 C 的左、右焦点,D 是椭圆上的一点,△DF1F2 的周长为 6,|AB|= 7.
(1)求椭圆 C 的方程;
(2)若 P 是圆 x2+y2=7 上任一点,过点 P 作椭圆 C 的切线,切点分别为 M,N,求证:
PM⊥PN.
解:(1)由△DF1F2 的周长为 6,得 2a+2c=6,
由|AB|= 7,得 a2+b2=7,
又 b2+c2=a2,∴a=2,b= 3,c=1.
故椭圆 C 的方程为x2
4
+y2
3
=1.
(2)证明:①当切线 PM 的斜率不存在或为零时,此时取 P(2, 3),
显然直线 PN:y= 3与直线 PM:x=2 恰是椭圆的两条切线.
由圆及椭圆的对称性,可知 PM⊥PN.
②当切线 PM,PN 斜率存在且不为零时,
设切线 PM 的方程为 y=k1x+m,
PN 的方程为 y=k2x+t,P(x0,y0)(x0≠±2),
由
y=k1x+m,
x2
4
+y2
3
=1 消去 y,得(4k21+3)x2+8k1mx+4(m2-3)=0,
∵PM 与椭圆 C 相切,
∴Δ=64k21m2-16(4k21+3)(m2-3)=0,
∴m2=4k21+3.
∵y0=k1x0+m,∴m=y0-k1x0,
∴(y0-k1x0)2=4k21+3.
即(x20-4)k21-2x0y0k1+y20-3=0;
同理(x20-4)k22-2x0y0k2+y20-3=0,
∴k1,k2 是方程(x20-4)k2-2x0y0k+y20-3=0 的两个根,
又∵点 P 在圆上,∴x20+y20=7,∴y20=7-x20,
∴k1k2=y20-3
x20-4
=7-x20-3
x20-4
=-1,∴PM⊥PN.
综上所述,PM⊥PN.
2.已知椭圆 C:y2
a2
+x2
b2
=1(a>b>0)的短轴长为 2,且椭圆 C 的顶点在圆 M:x2+
y- 2
2 2=1
2
上.
(1)求椭圆 C 的方程;
(2)过椭圆的上焦点作相互垂直的弦 AB,CD,求|AB|+|CD|的最小值.
解:(1)由题意可知 2b=2,b=1.
又椭圆 C 的顶点在圆 M 上,则 a= 2,
故椭圆 C 的方程为y2
2
+x2=1.
(2)当直线 AB 的斜率不存在或为零时,
|AB|+|CD|=3 2;
当直线 AB 的斜率存在,且不为零时,
设直线 AB 的方程为 y=kx+1,A(x1,y1),B(x2,y2),
联立
y=kx+1,
y2
2
+x2=1 消去 y,整理得(k2+2)x2+2kx-1=0,
则 x1+x2=- 2k
k2+2
,x1x2=- 1
k2+2
,
故|AB|= 1+k2· x1+x22-4x1x2=2 2k2+1
k2+2
.
同理可得:|CD|=2 2k2+1
2k2+1
,
∴|AB|+|CD|= 6 2k2+12
2k2+1k2+2.
令 t=k2+1,则 t>1,0<1
t<1,
∴|AB|+|CD|= 6 2t2
2t-1t+1
=
6 2
2-1
t 1+1
t
=
6 2
-
1
t
-1
2 2+9
4
,
当 0<1
t<1 时,2<-
1
t
-1
2 2+9
4
≤9
4
,
∴8 3
3
≤|AB|+|CD|<3 2 ,
综上可知,8 3
3
≤|AB|+|CD|≤3 2,
∴|AB|+|CD|的最小值8 3
3 .
3.已知椭圆 C:y2
a2
+x2
b2
=1(a>b>0)的上、下焦点分别为 F1,F2,离心率为1
2
,P 为 C 上
的动点,且满足F2P―→=λ PQ―→
(λ>0),| PQ―→
|=| PF―→
1|,△QF1F2 面积的最大值为 4.
(1)求点 Q 的轨迹 E 的方程和椭圆 C 的方程;
(2)直线 y=kx+m(m>0)与椭圆 C 相切且与曲线 E 交于 M,N 两点,求 S△F1MN 的取
值范围.
解:(1)由椭圆定义得:|F2Q|=|F2P|+|PQ|=|F2P|+|PF1|=2a,
所以点 Q 的轨迹是以 F2 为圆心,2a 为半径的圆.
当 QF2⊥F1F2 时,△QF1F2 面积最大,
所以1
2
×2c×2a=4,即 ac=2.
又c
a
=1
2
,可得 a=2,c=1.
所以点 Q 的轨迹 E 的方程为 x2+(y+1)2=16,椭圆 C 的方程y2
4
+x2
3
=1.
(2)由
y=kx+m,
y2
4
+x2
3
=1 消去 y,整理得(3k2+4)x2+6kmx+3m2-12=0,
则Δ=36k2m2-4(3k2+4)(3m2-12)=0,
化简得 3k2-m2+4=0,即 k2=m2-4
3
.
由 k2=m2-4
3
≥0 及 m>0,得 m≥2.
设圆心 F2(0,-1)到直线 MN 的距离为 d,
则 d= |m+1|
1+k2
= 3m+1
m-1
,
所以弦长|MN|=2 16-d2=2 13m-19
m-1
.
设点 F1(0,1)到直线 MN 的距离为 h,
则 h= |m-1|
1+k2
= 3m-1
m+1
,
所以 S△F1MN=1
2|MN|·h= 313m-19
m+1
= 39- 96
m+1
.
由 m≥2,得 39- 96
m+1
∈[ 7, 39),
所以 S△F1MN 的取值范围为[ 7, 39).
4.如图,椭圆 E 的左、右顶点分别为 A,B,左、右焦点分别为 F1,
F2,|AB|=4,|F1F2|=2 3.
(1)求椭圆 E 的方程;
(2)直线 y=kx+m(k>0)交椭圆于 C,D 两点,与线段 F1F2 及椭圆短轴分别交于 M,N
两点(M,N 不重合),且|CN|=|DM|,求 k 的值;
(3)在(2)的条件下,若 m>0,设直线 AD,BC 的斜率分别为 k1,k2,求k21
k22
的取值范围.
解:(1)设椭圆 E 的方程为x2
a2
+y2
b2
=1(a>b>0),
由|AB|=4,|F1F2|=2 3,可知 a=2,c= 3,
则 b=1,
所以椭圆 E 的方程为x2
4
+y2=1.
(2)设 D(x1,y1),C(x2,y2),易知 N(0,m),M
-m
k
,0 ,
由 y=kx+m,
x2+4y2=4
消去 y,整理得(1+4k2)x2+8kmx+4m2-4=0,
由Δ>0,得 4k2-m2+1>0,即 m2<4k2+1,
且 x1+x2=-8km
1+4k2
,x1x2=4m2-4
1+4k2 .
又|CM|=|DN|,即 CM―→= ND―→,可得 x1+x2=-m
k
,
即-8km
1+4k2
=-m
k
,解得 k=1
2.
(3)k21
k22
=y21x2-22
y22x1+22
=
4-x21
4
x2-22
4-x22
4
x1+22
=2-x12-x2
2+x12+x2
=4-2x1+x2+x1x2
4+2x1+x2+x1x2
=
m+1
m-1 2.
由题知,点 M,F1 的横坐标 xM≥xF1,有-2m≥- 3,
则 m∈ 0, 3
2 ,满足 m2<2.
即k1
k2
=-m+1
m-1
=-1+ 2
1-m
,则k1
k2
∈(1,7+4 3],
所以k21
k22
的取值范围为(1,97+56 3].
已知椭圆 C:x2
a2
+y2
b2
=1(a>b>0)的右准线 l 的方程为 x=4 3
3
,
短轴长为 2.
(1)求椭圆 C 的方程;
(2)过定点 B(1,0)作直线 l 与椭圆 C 相交于 P,Q(异于 A1,A2)两点,设直线 PA1 与直线
QA2 相交于点 M(2x0,y0).
①试用 x0,y0 表示点 P,Q 的坐标;
②求证:点 M 始终在一条定直线上.
解:(1)由
a2
c
=4 3
3
,
b=1,
a2=b2+c2,
解得 a2=4,
b2=1.
或
a2=4
3
,
b2=1.
故椭圆 C 的方程为x2
4
+y2=1 或x2
4
3
+y2=1.
(2)①不妨取椭圆 C 的方程为x2
4
+y2=1,A1(-2,0),A2(2,0),
则 MA1 的方程为:y= y0
2x0+2
(x+2),
即 x=2x0+2
y0
y-2,代入x2
4
+y2=1,
得
x0+1
y0
y-1 2+y2=1,
即
x0+12
y20
+1 y2-2x0+1
y0
y=0.
∴yP=
2x0+1
y0
x0+12
y20
+1
= 2x0+1y0
x0+12+y20
,
则 xP=2x0+2
y0
· 2x0+1y0
x0+12+y20
-2= 4x0+12
x0+12+y20
-2.
即 P
4x0+12
x0+12+y20
-2, 2x0+1y0
x0+12+y20 .
同理:MA2 的方程为 y= y0
2x0-2
(x-2),
即 x=2x0-2
y0
y+2,代入x2
4
+y2=1,
得
x0-1
y0
y+1 2+y2=1,
即
x0-12
y20
+1 y2+2x0-1
y0
y=0.
∴yQ=
-2x0-1
y0
x0-12
y20
+1
=-2x0-1y0
x0-12+y20
.
则 xQ=2x0-2
y0
·
-2x0-1y0
x0-12+y20
+2=-4x0-12
x0-12+y20
+2.
即 Q
-4x0-12
x0-12+y20
+2,-2x0-1y0
x0-12+y20 .
②证明:设 P(xP,yP),Q(xQ,yQ),
∵P,Q,B 三点共线,∴kPB=kQB,即 yP
xP-1
= yQ
xQ-1.
∴
2x0+1y0
x0+12+y20
4x0+12
x0+12+y20
-2-1
=
-2x0-1y0
x0-12+y20
-4x0-12
x0-12+y20
+2-1
,
即 x0+1y0
x0+12-3y20
= -x0-1y0
-3x0-12+y20
.
由题意知,y0≠0,
∴ x0+1
x0+12-3y20
= x0-1
3x0-12-y20
.
即 3(x0+1)(x0-1)2-(x0+1)y20=(x0-1)(x0+1)2-3(x0-1)y20.
∴(2x0-4)(x20+y20-1)=0.
则 2x0-4=0 或 x20+y20=1.
若 x20+y20=1,即2x02
4
+y20=1,
则 P,Q,M 为同一点,不合题意.
∴2x0-4=0,即点 M 始终在定直线 x=4 上.
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