第3讲 圆锥曲线的综合问题
1.圆锥曲线的综合问题一般以直线和圆锥曲线的位置关系为载体,以参数处理为核心,考查范围、最值问题,定点、定值问题,探索性问题.
2.试题解答往往要综合应用函数与方程、数形结合、分类讨论等多种思想方法,对计算能力也有较高要求,难度较大.
热点一 范围、最值问题
圆锥曲线中的范围、最值问题,可以转化为函数的最值问题(以所求式子或参数为函数值),或者利用式子的几何意义求解.
例1 (2017届日照模拟)已知椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,左、右顶点分别为A,B.以F1F2为直径的圆O过椭圆E的上顶点D,直线DB与圆O相交得到的弦长为.设点P,连接PA交椭圆于点C,坐标原点为O.
(1)求椭圆E的方程;
(2)若△ABC的面积不大于四边形OBPC的面积,求的最小值.
解 (1)因为以F1F2为直径的圆O过点D,所以b=c,则圆O的方程为x2+y2=b2,又a2=b2+c2,
所以a=b,直线DB的方程为y=-x+b,
直线DB与圆O相交得到的弦长为,
则2=,所以b=1, a=,
所以椭圆E的方程为+y2=1.
(2)由(1)得a=, b=1,椭圆方程为+y2=1,
设直线PA的方程为y=(x+),
由
整理得x2+2t2x+2t2-8=0,
解得x1=-, x2=,
则点C的坐标是,
故直线BC的斜率为kBC=-,
由于直线OP的斜率为kOP=,
所以kBC ·kOP=-1,
所以OP⊥BC.
所以SOBPC=××=,
S△ABC=×2×=,
所以≤,
整理得2+t2≥4,≥,
所以min=.
思维升华 解决范围问题的常用方法
(1)数形结合法:利用待求量的几何意义,确定出极端位置后,利用数形结合法求解.
(2)构建不等式法:利用已知或隐含的不等关系,构建以待求量为元的不等式求解.
(3)构建函数法:先引入变量构建以待求量为因变量的函数,再求其值域.
跟踪演练1 (2017届福建省宁德市质检)已知抛物线C:y2=2px(p>0)上的点M到点N距离的最小值为.
(1)求抛物线C的方程;
(2)若x0>2,圆E:2+y2=1,过M作圆E的两条切线分别交y轴于A,B两点,求△MAB面积的最小值.
解 (1)∵=,
又∵y=2px0,
∴2=x-4x0+4+2px0=x-2x0+4
=2+4-2.
∵x0≥0,∴当2-p≤0,即p≥2时, min=2,不符合题意,舍去;当2-p>0,即0
2,
∴S△MAB=·==
=x0+2+
=x0-2++4≥8,
当且仅当x0=4时,取最小值8.
热点二 定点、定值问题
1.由直线方程确定定点,若得到了直线方程的点斜式:y-y0=k(x-x0),则直线必过定点(x0,y0);若得到了直线方程的斜截式:y=kx+m,则直线必过定点(0,m).
2.解析几何中的定值问题是指某些几何量(线段的长度、图形的面积、角的度数、直线的斜率等)的大小或某些代数表达式的值等与题目中的参数无关,不依参数的变化而变化,而始终是一个确定的值.
例2 (2017·长沙市长郡中学模拟)已知抛物线E:y2=4x的准线为l,焦点为F,O为坐标原点.
(1)求过点O,F,且与l相切的圆的方程;
(2)过F的直线交抛物线E于A,B两点,A关于x轴的对称点为A′,求证:直线A′B过定点.
(1)解 抛物线E:y2=4x的准线l的方程为x=-1,
焦点坐标为F(1,0),设所求圆的圆心C为(a,b),半径为r,
∵圆C过O,F,∴a=,
∵圆C与直线l:x=-1相切,
∴r=-=.
由r== =,得b=±.
∴过O,F且与直线l相切的圆的方程为
2+2=.
(2)证明 方法一 依题意知,直线AB的斜率存在,
设直线AB方程为y=k,
A, B, A′,
联立
消去y,得k2x2-x+k2=0,
∴x1+x2=, x1x2=1.
∵直线BA′的方程为y-y2=,
∴令y=0,得x=
=
==-1 .
∴直线BA′过定点.
方法二 设直线AB的方程为x=my+1,
A, B,则A′.
由得y2-4my-4=0,
∴y1+y2=4m, y1y2=-4.
∵kBA′===,
∴直线BA′的方程为y-y2=.
∴y=(x-x2)+y2=x+y2-
=x+
=x+
=(x+1).
∴直线BA′过定点(-1,0).
思维升华 (1)动线过定点问题的两大类型及解法
①动直线l过定点问题,解法:设动直线方程(斜率存在)为y=kx+t,由题设条件将t用k表示为t=mk,得y=k(x+m),故动直线过定点(-m,0).
②动曲线C过定点问题,解法:引入参变量建立曲线C的方程,再根据其对参变量恒成立,令其系数等于零,得出定点.
(2)求解定值问题的两大途径
①→
②先将式子用动点坐标或动线中的参数表示,再利用其满足的约束条件使其绝对值相等的正负项抵消或分子、分母约分得定值.
跟踪演练2 (2017届江西省重点中学协作体联考)已知⊙F1:(x+3)2+y2=27与⊙F2:(x-3)2+y2=3,以F1,F2分别为左、右焦点的椭圆C:+=1 (a>b>0)经过两圆的交点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)M,N是椭圆C上的两点,若直线OM与ON的斜率之积为-,试问△OMN的面积是否为定值?若是,求出这个定值;若不是,请说明理由.
解 (1)设两圆的交点为Q,
依题意有|QF1|+|QF2|=3+=4,
由椭圆定义知,2a=4,解得a2=12.
∵F1,F2分别为椭圆C的左、右焦点,
∴a2-b2=9,解得b2=3,
∴椭圆C的方程为+=1.
(2)①当直线MN的斜率不存在时,
设M(x1,y1),N(x1,-y1).
kOM·kON=-=-,∴=.
又+=1,∴|x1|=,|y1|=.
∴S△OMN=××=3.
②当直线MN的斜率存在时,设直线MN的方程为y=kx+m,M(x1,y1),N(x2,y2),
由
得(4k2+1)x2+8kmx+4m2-12=0,
由Δ=64k2m2-4(4k2+1)(4m2-12)>0,
得12k2-m2+3>0,(*)
且x1+x2=-,x1x2=.
∴y1y2=(kx1+m)(kx2+m)
=k2x1x2+km(x1+x2)+m2=.
∵kOM·kON==-,∴=-,
整理得2m2=12k2+3,
代入(*)得m≠0.
∵|MN|=|x1-x2|
=
= =,
原点O到直线MN的距离d=,
∴S△OMN=|MN|d
=··=3(定值).
综上所述,△OMN的面积为定值3.
热点三 探索性问题
1.解析几何中的探索性问题,从类型上看,主要是存在类型的相关题型,解决这类问题通常采用“肯定顺推法”,将不确定性问题明确化.其步骤为:假设满足条件的元素(点、直线、曲线或参数)存在,用待定系数法设出,列出关于待定系数的方程组,若方程组有实数解,则元素(点、直线、曲线或参数)存在;否则,元素(点、直线、曲线或参数)不存在.
2.反证法与验证法也是求解存在性问题常用的方法.
例3 已知A(x1,y1),B(x2,y2)是抛物线C:x2=2py(p>0)上的不同两点.
(1)设直线l:y=与y轴交于点M,若A,B两点所在的直线方程为y=x-1,且直线l:y=恰好平分∠AMB,求抛物线C的标准方程;
(2)若直线AB与x轴交于点P,与y轴的正半轴交于点Q,且y1y2=,是否存在直线AB,使得+=?若存在,求出直线AB的方程;若不存在,请说明理由.
解 (1)设A(x1,y1),B(x2,y2),M,
由 消去y整理,得x2-2px+2p=0,
则
∵直线y=平分∠AMB,∴kAM+kBM=0,
∴+=0,
即+=2-=0,
∴p=4,满足Δ>0,∴抛物线C的标准方程为x2=8y.
(2)由题意知,直线AB的斜率存在,且不为零,
设直线AB的方程为y=kx+b(k≠0,b>0),
由
得x2-2pkx-2pb=0,
∴
∴y1y2=·==b2,
∵y1y2=,∴b2=, ∵b>0, ∴b=.
∴直线AB的方程为y=kx+.
假设存在直线AB,使得+=,
即+=3,
作AA′⊥x轴,BB′⊥x轴,垂足为A′,B′,
∴+=+=+
=·,
∵y1+y2=k+p=2pk2+p, y1y2=,
∴+=·=4k2+2,
由4k2+2=3,得k=±,
故存在直线AB,使得+=,
此时直线AB的方程为y=±x+.
思维升华 解决探索性问题的注意事项
存在性问题,先假设存在,推证满足条件的结论,若结论正确则存在,若结论不正确则不存在.
(1)当条件和结论不唯一时,要分类讨论.
(2)当给出结论而要推导出存在的条件时,先假设成立,再推出条件.
(3)当条件和结论都不知,按常规方法解题很难时,要思维开放,采取另外的途径.
跟踪演练3 (2017届河北省衡水中学押题卷)已知椭圆C:+=1 (a>b>0)的长轴长为6,且椭圆C与圆M:(x-2)2+y2=的公共弦长为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过点P(0,2)作斜率为k (k≠0)的直线l与椭圆C交于两点A,B,试判断在x轴上是否存在点D,使得△ADB为以AB为底边的等腰三角形.若存在,求出点D的横坐标的取值范围,若不存在,请说明理由.
解 (1)由题意可得2a=6,所以a=3.由椭圆C与圆M: 2+y2=的公共弦长为,恰为圆
M的直径,可得椭圆C经过点,所以+=1,解得b2=8.所以椭圆C的方程为+=1.
(2)直线l的解析式为y=kx+2,
设A,B, AB的中点为E.
假设存在点D,使得△ADB为以AB为底边的等腰三角形,则DE⊥AB.由
得x2+36kx-36=0,故x1+x2=-,
所以x0=-, y0=kx0+2=.
因为DE⊥AB,所以kDE=-,
即=-,
所以m=-=-.
当k>0时, 9k+≥2=12,所以-≤m<0;
当k<0时, 9k+≤-12,所以00.
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=,x1x2=1,
所以|AB|=·|x1-x2|
=·
=·
=.
同理可得|DE|=4(1+k2).
所以|AB|+|DE|=+4(1+k2)
=4
=8+4≥8+4×2=16,
当且仅当k2=,即k=±1时,取得等号.
2.(2017·山东)在平面直角坐标系xOy中,椭圆E:+=1(a>b>0)的离心率为,焦距为2.
(1)求椭圆E的方程;
(2)如图,动直线l:y=k1x-交椭圆E于A,B两点,C是椭圆E上一点,直线OC的斜率为k2,且k1k2=.M是线段OC延长线上一点,且|MC|∶|AB|=2∶3,⊙M的半径为|MC|,OS,OT是⊙M的两条切线,切点分别为S,T.求∠SOT的最大值,并求取得最大值时直线l的斜率.
解 (1)由题意知,e==,2c=2,所以c=1,
所以a=,b=1,
所以椭圆E的方程为+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),
联立方程
得(4k+2)x2-4k1x-1=0.
由题意知,Δ>0,
且x1+x2=,x1x2=-,
所以|AB|=|x1-x2|=·.
由题意可知,圆M的半径r为
r=|AB|=·.
由题设知k1k2=,
所以k2=,
因此直线OC的方程为y=x.
联立方程
得x2=,y2=,
因此|OC|==.
由题意可知,sin==.
而=
=·,
令t=1+2k,则t>1,∈(0,1),
因此=·=·=
·≥1,
当且仅当=,即t=2时等号成立,此时k1=±,
所以sin ≤,因此≤,
所以∠SOT的最大值为.
综上所述,∠SOT的最大值为,取得最大值时直线l的斜率为k1=±.
押题预测
已知椭圆C1:+=1(a>0)与抛物线C2:y2=2ax相交于A,B两点,且两曲线的焦点F重合.
(1)求C1,C2的方程;
(2)若过焦点F的直线l与椭圆分别交于M,Q两点,与抛物线分别交于P,N两点,是否存在斜率为k(k≠0)的直线l,使得=2?若存在,求出k的值;若不存在,请说明理由.
押题依据 本题将椭圆和抛物线联合起来设置命题,体现了对直线和圆锥曲线位置关系的综合考查.关注知识交汇,突出综合应用是高考的特色.
解 (1)因为C1,C2的焦点重合,
所以=,
所以a2=4.
又a>0,所以a=2.
于是椭圆C1的方程为+=1,
抛物线C2的方程为y2=4x.
(2)假设存在直线l使得=2,
则可设直线l的方程为y=k(x-1),P(x1,y1),Q(x2,y2),M(x3,y3),N(x4,y4).
由可得k2x2-(2k2+4)x+k2=0,
则x1+x4=,x1x4=1,且Δ=16k2+16>0,
所以|PN|=·
=.
由可得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0,
则x2+x3=,x2x3=,
且Δ=144k2+144>0,
所以|MQ|=·=.
若=2,
则=2×,
解得k=±.
故存在斜率为k=±的直线l,使得=2.
A组 专题通关
1.(2016·全国Ⅰ)设圆x2+y2+2x-15=0的圆心为A,直线l过点B(1,0)且与x轴不重合,l交圆A于C,D两点,过B作AC的平行线交AD于点E.
(1)证明|EA|+|EB|为定值,并写出点E的轨迹方程;
(2)设点E的轨迹为曲线C1,直线l交C1于M,N两点,过B且与l垂直的直线与圆A交于P,Q两点,求四边形MPNQ面积的取值范围.
解 (1)因为|AD|=|AC|,EB∥AC,
故∠EBD=∠ACD=∠ADC,所以|EB|=|ED|,
故|EA|+|EB|=|EA|+|ED|=|AD|.
又圆A的标准方程为(x+1)2+y2=16,从而|AD|=4,所以|EA|+|EB|=4.
由题设得A(-1,0),B(1,0),|AB|=2,
由椭圆定义可得点E的轨迹方程为
+=1(y≠0).
(2)当l与x轴不垂直时,设l的方程为y=k(x-1)(k≠0),M(x1,y1),N(x2,y2).
由
得(4k2+3)x2-8k2x+4k2-12=0.
则x1+x2=,x1x2=,
且Δ=144k2+144>0,
所以|MN|=|x1-x2|=.
过点B(1,0)且与l垂直的直线m:y=-(x-1),
点A到m的距离为,
所以|PQ|=2=4.
故四边形MPNQ的面积
S=|MN||PQ|=12.
可得当l与x轴不垂直时,四边形MPNQ面积的取值范围为(12,8).
当l与x轴垂直时,l的方程为x=1,|MN|=3,|PQ|=8,四边形MPNQ的面积为12.
综上,四边形MPNQ面积的取值范围为[12,8).
2.(2017届黑龙江省大庆实验中学模拟)已知F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点, D,E分别是椭圆C的上顶点和右顶点,且S△DEF2=,离心率e=.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设经过F2的直线l与椭圆C相交于A,B两点,求的最小值.
解 (1)依题意得
解得
故所求椭圆方程为+=1.
(2)由(1)知,F2,设A,B,
AB的方程为x=ty+1,代入椭圆的方程,
整理得y2+6ty-9=0,
∴
∵S△OAB=×1×,|AF2|=,
|BF2|=,
∴ =
= ≥,
当且仅当t=0时上式取等号.
∴的最小值为.
3.(2017届南昌模拟)如图,已知直线l:y=kx+1 (k>0)关于直线y=x+1对称的直线为l1,直线l,l1与椭圆E:+y2=1分别交于点A,M和A,N,记直线l1的斜率为k1.
(1)求kk1的值;
(2)当k变化时,试问直线MN是否恒过定点? 若恒过定点,求出该定点坐标;若不恒过定点,请说明理由.
解 (1)设直线上任意一点P(x,y)关于直线y=x+1的对称点为P0(x0,y0),
直线l与直线l1的交点为(0,1),
∴l:y=kx+1,l1:y=k1x+1.
k=,k1=.
由=+1,
得y+y0=x+x0+2. ①
由=-1,得y-y0=x0-x. ②
由①②得
kk1=
==1.
(2)设点M(x1,y1),N(x2,y2),
由
得(4k2+1)x+8kx1=0,
∴xM=,∴yM=.
同理xN==,
yN= =.
kMN==
==-.
直线MN:y-yM=kMN(x-xM),
∴y-=-,
即y=-x-+
=-x-.
∴当k变化时,直线MN过定点.
4.(2017届沈阳市模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的焦点为F1,F2,离心率为,点P为其上动点,且△PF1F2面积的最大值为,O为坐标原点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)若点M,N为C上的两个动点,求常数m,使·=m时,点O到直线MN的距离为定值,求这个定值.
解 (1)依题意知,
解得
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)设M(x1,y1),N(x2,y2),
则x1x2+y1y2=m,(*)
当直线MN的斜率存在时,设其方程为y=kx+n,
则点O到直线MN的距离d== .
由
消去y,得(4k2+3)x2+8knx+4n2-12=0,
由Δ>0,得4k2-n2+3>0,
则x1+x2=,x1x2=,
代入(*)式,
x1x2+(kx1+n)(kx2+n)
=(k2+1)x1x2+kn(x1+x2)+n2=m,
整理得=12+为常数,
则m=0,d==,
此时=12满足Δ>0.
当MN⊥x轴时,由m=0,得kOM=±1,
消去y,得x2=,d=|x|=仍成立,
综上,m=0,d=.
B组 能力提高
5.如图,抛物线C:y2=2px的焦点为F,抛物线上一定点Q(1,2).
(1)求抛物线C的方程及准线l的方程;
(2)过焦点F的直线(不经过Q点)与抛物线交于A,B两点,与准线l交于点M,记QA,QB,QM的斜率分别为k1,k2,k3,问是否存在常数λ,使得k1+k2=λk3成立,若存在,求出λ的值;若不存在,请说明理由.
解 (1)把Q(1,2)代入y2=2px,得2p=4,
所以抛物线方程为y2=4x,准线l的方程为x=-1.
(2)由条件可设直线AB的方程为y=k(x-1),k≠0.
由抛物线准线l:x=-1可知,M(-1,-2k).
又Q(1,2),所以k3==k+1,
即k3=k+1.
把直线AB的方程y=k(x-1),代入抛物线方程y2=4x,并整理,可得
k2x2-2(k2+2)x+k2=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),由根与系数的关系知,
x1+x2=,x1x2=1,且Δ=16(k2+1)>0.
又Q(1,2),则k1=,k2=.
因为A,F,B共线,所以kAF=kBF=k,
即==k.
所以k1+k2=+
=+-
=2k-=2k+2,
即k1+k2=2k+2.
又k3=k+1,可得k1+k2=2k3.
即存在常数λ=2,使得k1+k2=λk3成立.
6.(2017届三湘名校教育联盟联考)已知动圆P与圆F1:2+y2=49相切,且与圆F2:2+y2=1相内切,记圆心P的轨迹为曲线C.
(1)求曲线C的方程;
(2)设Q为曲线C上的一个不在x轴上的动点, O为坐标原点,过点F2作OQ的平行线交曲线C于M,N两个不同的点,求△QMN面积的最大值.
解 (1)设圆P的半径为R,圆心P的坐标为,
由于动圆P与圆F1只能内切,
所以
则F1F2|=4,
所以圆心P的轨迹是以点F1, F2为焦点的椭圆.
且a=3,c=2,则b2=a2-c2=5.
所以曲线C的方程为+=1.
(2)设M, N, Q,
直线MN的方程为x=my+2,
由可得y2+20my-25=0,
可知Δ=400m2+100(5m2+9)>0,
则y1+y2=-,y1y2=-.
所以=
=
=.
因为MN∥OQ,
所以△QMN的面积等于△OMN的面积.
点O到直线MN:x=my+2的距离d= .
所以△QMN的面积
S=·d=××
=.
令=t,则m2=t2-1,
S= ==.
设f=5t+,
则f′=5-=,
因为t≥1,所以f′=>0,
所以f=5t+在上单调递增.
所以当t=1时, f取得最小值9.
所以△QMN的面积的最大值为.
说明:△QMN的面积S=
== .