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第3講 圓錐曲線的綜合問題
1.(2016四川)設(shè)O為坐標(biāo)原點(diǎn),P是以F為焦點(diǎn)的拋物線y2=2px(p>0)上任意一點(diǎn),M是線段PF上的點(diǎn),且|PM|=2|MF|,則直線OM的斜率的最大值為( )
A. B. C. D.1
答案 C
解析 如圖,
由題意可知F,設(shè)P點(diǎn)坐標(biāo)為,顯然,當(dāng)y0<0時(shí),kOM<0;當(dāng)y0>0時(shí),kOM>0,要求kOM的最大值,不妨設(shè)y0>0.則=+=+=+(-)=+=,kOM==≤=,當(dāng)且僅當(dāng)y=2p2時(shí)等號(hào)成立.故選C.
2.(2016課標(biāo)全國(guó)乙)設(shè)圓x2+y2+2x-15=0的圓心為A,直線l過點(diǎn)B(1,0)且與x軸不重合,l交圓A于C,D兩點(diǎn),過B作AC的平行線交AD于點(diǎn)E.
(1)證明|EA|+|EB|為定值,并寫出點(diǎn)E的軌跡方程;
(2)設(shè)點(diǎn)E的軌跡為曲線C1,直線l交C1于M,N兩點(diǎn),過B且與l垂直的直線與圓A交于P,Q兩點(diǎn),求四邊形MPNQ面積的取值范圍.
解 (1)因?yàn)閨AD|=|AC|,EB∥AC,
故∠EBD=∠ACD=∠ADC,所以|EB|=|ED|,
故|EA|+|EB|=|EA|+|ED|=|AD|.
又圓A的標(biāo)準(zhǔn)方程為(x+1)2+y2=16,從而|AD|=4,所以|EA|+|EB|=4.
由題設(shè)得A(-1,0),B(1,0),|AB|=2,由橢圓定義可得點(diǎn)E的軌跡方程為:+=1(y≠0).
(2)當(dāng)l與x軸不垂直時(shí),設(shè)l的方程為y=k(x-1)(k≠0),M(x1,y1),N(x2,y2).
由得(4k2+3)x2-8k2x+4k2-12=0.
則x1+x2=,x1x2=,
所以|MN|=|x1-x2|=.
過點(diǎn)B(1,0)且與l垂直的直線m:y=-(x-1),
點(diǎn)A到m的距離為,
所以|PQ|=2=4.
故四邊形MPNQ的面積
S=|MN||PQ|=12.
可得當(dāng)l與x軸不垂直時(shí),四邊形MPNQ面積的取值范圍為(12,8).
當(dāng)l與x軸垂直時(shí),其方程為x=1,|MN|=3,|PQ|=8,四邊形MPNQ的面積為12.
綜上,四邊形MPNQ面積的取值范圍為[12,8).
1.圓錐曲線的綜合問題一般以直線和圓錐曲線的位置關(guān)系為載體,以參數(shù)處理為核心,考查范圍、最值問題,定點(diǎn)、定值問題,探索性問題.
2.試題解答往往要綜合應(yīng)用函數(shù)與方程、數(shù)形結(jié)合、分類討論等多種思想方法,對(duì)計(jì)算能力也有較高要求,難度較大.
熱點(diǎn)一 范圍、最值問題
圓錐曲線中的范圍、最值問題,可以轉(zhuǎn)化為函數(shù)的最值問題(以所求式子或參數(shù)為函數(shù)值),或者利用式子的幾何意義求解.
例1 (2015重慶)如圖,橢圓+=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn)分別為F1、F2,過F2的直線交橢圓于P,Q兩點(diǎn),且PQ⊥PF1.
(1)若|PF1|=2+,|PF2|=2-,求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)若|PQ|=λ|PF1|,且≤λ<,試確定橢圓離心率e的取值范圍.
解 (1)由橢圓的定義,
2a=|PF1|+|PF2|=(2+)+(2-)=4,故a=2.
設(shè)橢圓的半焦距為c,由已知PF1⊥PF2,
因此2c=|F1F2|=
==2,
即c=,從而b==1.
故所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為+y2=1.
(2)如圖,
由PF1⊥PQ,|PQ|=λ|PF1|,得
|QF1|==|PF1|.
由橢圓的定義,|PF1|+|PF2|=2a,|QF1|+|QF2|=2a,
進(jìn)而|PF1|+|PQ|+|QF1|=4a,
于是(1+λ+)|PF1|=4a,
解得|PF1|=,
故|PF2|=2a-|PF1|=.
由勾股定理得
|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=(2c)2=4c2,
從而2+2=4c2,
兩邊除以4a2,得
+=e2.
若記t=1+λ+,則上式變成
e2==82+.
由≤λ<,并注意到1+λ+關(guān)于λ的單調(diào)性,得3≤t<4,即<≤.
進(jìn)而<e2≤,即<e≤.
思維升華 解決范圍問題的常用方法:
(1)數(shù)形結(jié)合法:利用待求量的幾何意義,確定出極端位置后,數(shù)形結(jié)合求解.
(2)構(gòu)建不等式法:利用已知或隱含的不等關(guān)系,構(gòu)建以待求量為元的不等式求解.
(3)構(gòu)建函數(shù)法:先引入變量構(gòu)建以待求量為因變量的函數(shù),再求其值域.
跟蹤演練1 如圖,已知橢圓:+y2=1,點(diǎn)A,B是它的兩個(gè)頂點(diǎn),過原點(diǎn)且斜率為k的直線l與線段AB相交于點(diǎn)D,且與橢圓相交于E,F(xiàn)兩點(diǎn).
(1)若=6,求k的值;
(2)求四邊形AEBF面積的最大值.
解 (1)依題設(shè)得橢圓的頂點(diǎn)A(2,0),B(0,1),
則直線AB的方程為x+2y-2=0.
設(shè)直線EF的方程為y=kx(k>0).
設(shè)D(x0,kx0),E(x1,kx1),F(xiàn)(x2,kx2),其中x1
b>0)的離心率為,其左焦點(diǎn)到點(diǎn)P(2,1)的距離為.
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)若直線l:y=kx+m與橢圓C相交于A,B兩點(diǎn)(A,B不是左,右頂點(diǎn)),且以AB為直徑的圓過橢圓C的右頂點(diǎn),求證:直線l過定點(diǎn),并求出該定點(diǎn)的坐標(biāo).
解 (1)由e==,得a=2c,
∵a2=b2+c2,∴b2=3c2,
則橢圓方程變?yōu)椋?.
又由題意知=,解得c2=1,
故a2=4,b2=3,
即得橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為+=1.
(2)設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2),聯(lián)立
得(3+4k2)x2+8mkx+4(m2-3)=0.
則①
又y1y2=(kx1+m)(kx2+m)
=k2x1x2+mk(x1+x2)+m2
=.
∵橢圓的右頂點(diǎn)為A2(2,0),AA2⊥BA2,
∴(x1-2)(x2-2)+y1y2=0,
∴y1y2+x1x2-2(x1+x2)+4=0,
∴+++4=0,
∴7m2+16mk+4k2=0,解得m1=-2k,m2=-,
由①,得3+4k2-m2>0,②
當(dāng)m1=-2k時(shí),l的方程為y=k(x-2),直線過定點(diǎn)(2,0),與已知矛盾.
當(dāng)m2=-時(shí),l的方程為y=k,直線過定點(diǎn),且滿足②,
∴直線l過定點(diǎn),定點(diǎn)坐標(biāo)為.
思維升華 (1)動(dòng)線過定點(diǎn)問題的兩大類型及解法
①動(dòng)直線l過定點(diǎn)問題,解法:設(shè)動(dòng)直線方程(斜率存在)為y=kx+t,由題設(shè)條件將t用k表示為t=mk,得y=k(x+m),故動(dòng)直線過定點(diǎn)(-m,0).
②動(dòng)曲線C過定點(diǎn)問題,解法:引入?yún)⒆兞拷⑶€C的方程,再根據(jù)其對(duì)參變量恒成立,令其系數(shù)等于零,得出定點(diǎn).
(2)求解定值問題的兩大途徑
①→
②先將式子用動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)或動(dòng)線中的參數(shù)表示,再利用其滿足的約束條件使其絕對(duì)值相等的正負(fù)項(xiàng)抵消或分子、分母約分得定值.
跟蹤演練2 已知拋物線:y2=2px(p>0)的焦點(diǎn)F在雙曲線:-=1的右準(zhǔn)線上,拋物線與直線l:y=k(x-2)(k>0)交于A,B兩點(diǎn),AF,BF的延長(zhǎng)線與拋物線交于C,D兩點(diǎn).
(1)求拋物線的方程;
(2)若△AFB的面積等于3,求k的值;
(3)記直線CD的斜率為kCD,證明:為定值,并求出該定值.
解 (1)雙曲線:-=1的右準(zhǔn)線方程為:x=1,
所以F(1,0),則拋物線的方程為:y2=4x.
(2)設(shè)A(,y1),B(,y2),
由得ky2-4y-8k=0,
Δ=16+32k2>0,y1+y2=,y1y2=-8.
S△AFB=1|y1-y2|=
=2=3,解得k=2.
(3)設(shè)C(,y3),則=(-1,y1),=(-1,y3),
因?yàn)锳,F(xiàn),C共線,
所以(-1)y3-y1(-1)=0,
即y+(-y1)y3-4=0.
解得:y3=y(tǒng)1(舍)或y3=-,
所以C(,-),同理D(,-),
kCD==-=2k,
故=2(定值).
熱點(diǎn)三 探索性問題
1.解析幾何中的探索性問題,從類型上看,主要是存在類型的相關(guān)題型,解決這類問題通常采用“肯定順推法”,將不確定性問題明朗化.其步驟為:假設(shè)滿足條件的元素(點(diǎn)、直線、曲線或參數(shù))存在,用待定系數(shù)法設(shè)出,列出關(guān)于待定系數(shù)的方程組,若方程組有實(shí)數(shù)解,則元素(點(diǎn)、直線、曲線或參數(shù))存在;否則,元素(點(diǎn)、直線、曲線或參數(shù))不存在.
2.反證法與驗(yàn)證法也是求解存在性問題常用的方法.
例3 如圖,拋物線C:y2=2px的焦點(diǎn)為F,拋物線上一定點(diǎn)Q(1,2).
(1)求拋物線C的方程及準(zhǔn)線l的方程;
(2)過焦點(diǎn)F的直線(不經(jīng)過Q點(diǎn))與拋物線交于A,B兩點(diǎn),與準(zhǔn)線l交于點(diǎn)M,記QA,QB,QM的斜率分別為k1,k2,k3,問是否存在常數(shù)λ,使得k1+k2=λk3成立,若存在,求出λ的值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
解 (1)把Q(1,2)代入y2=2px,得2p=4,
所以拋物線方程為y2=4x,準(zhǔn)線l的方程為x=-1.
(2)由條件可設(shè)直線AB的方程為y=k(x-1),k≠0.
由拋物線準(zhǔn)線l:x=-1,可知M(-1,-2k).
又Q(1,2),所以k3==k+1,
即k3=k+1.
把直線AB的方程y=k(x-1),代入拋物線方程y2=4x,并整理,可得k2x2-2(k2+2)x+k2=0.
設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2),由根與系數(shù)的關(guān)系,知
x1+x2=,x1x2=1.
又Q(1,2),則k1=,k2=.
因?yàn)锳,F(xiàn),B共線,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.
即存在常數(shù)λ=2,使得k1+k2=λk3成立.
思維升華 解決探索性問題的注意事項(xiàng):
存在性問題,先假設(shè)存在,推證滿足條件的結(jié)論,若結(jié)論正確則存在,若結(jié)論不正確則不存在.
(1)當(dāng)條件和結(jié)論不唯一時(shí),要分類討論.
(2)當(dāng)給出結(jié)論而要推導(dǎo)出存在的條件時(shí),先假設(shè)成立,再推出條件.
(3)當(dāng)條件和結(jié)論都不知,按常規(guī)方法解題很難時(shí),要思維開放,采取另外的途徑.
跟蹤演練3 (2015四川)如圖,橢圓E:+=1(a>b>0)的離心率是,點(diǎn)P(0,1)在短軸CD上,且=-1.
(1)求橢圓E的方程;
(2)設(shè)O為坐標(biāo)原點(diǎn),過點(diǎn)P的動(dòng)直線與橢圓交于A,B兩點(diǎn).是否存在常數(shù)λ,使得+λ為定值?若存在,求λ的值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
解 (1)由已知,點(diǎn)C,D的坐標(biāo)分別為(0,-b),(0,b),
又點(diǎn)P的坐標(biāo)為(0,1),且=-1,
于是解得a=2,b=,
所以橢圓E的方程為+=1.
(2)當(dāng)直線AB的斜率存在時(shí),設(shè)直線AB的方程為y=kx+1,A,B的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),
聯(lián)立
得(2k2+1)x2+4kx-2=0,
其判別式Δ=(4k)2+8(2k2+1)>0,
所以x1+x2=-,x1x2=-,
從而,+λ
=x1x2+y1y2+λ[x1x2+(y1-1)(y2-1)]
=(1+λ)(1+k2)x1x2+k(x1+x2)+1
=
=--λ-2.
所以當(dāng)λ=1時(shí),--λ-2=-3,
此時(shí)+λ=-3為定值.
當(dāng)直線AB斜率不存在時(shí),直線AB即為直線CD,
此時(shí),+λ=+λ
=-2-1=-3.
故存在常數(shù)λ=1,使得+λ為定值-3.
已知橢圓C1:+=1(a>0)與拋物線C2:y2=2ax相交于A,B兩點(diǎn),且兩曲線的焦點(diǎn)F重合.
(1)求C1,C2的方程;
(2)若過焦點(diǎn)F的直線l與橢圓分別交于M,Q兩點(diǎn),與拋物線分別交于P,N兩點(diǎn),是否存在斜率為k(k≠0)的直線l,使得=2?若存在,求出k的值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
押題依據(jù) 本題將橢圓和拋物線聯(lián)合起來設(shè)置命題,體現(xiàn)了對(duì)直線和圓錐曲線位置關(guān)系的綜合考查.關(guān)注知識(shí)交匯,突出綜合應(yīng)用是高考的特色.
解 (1)因?yàn)镃1,C2的焦點(diǎn)重合,
所以=,
所以a2=4.
又a>0,所以a=2.
于是橢圓C1的方程為+=1,
拋物線C2的方程為y2=4x.
(2)假設(shè)存在直線l使得=2,
則可設(shè)直線l的方程為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,
則x1+x4=,x1x4=1,
所以|PN|==.
由可得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0,
則x2+x3=,x2x3=,
所以|MQ|==.
若=2,
則=2,
解得k=.
故存在斜率為k=的直線l,使得=2.
A組 專題通關(guān)
1.若曲線ax2+by2=1為焦點(diǎn)在x軸上的橢圓,則實(shí)數(shù)a,b滿足( )
A.a(chǎn)2>b2 .<
C.0>0,
所以00),△ABC的三個(gè)頂點(diǎn)都在拋物線上,O為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)△ABC三條邊AB,BC,AC的中點(diǎn)分別為M,N,Q,且M,N,Q的縱坐標(biāo)分別為y1,y2,y3.若直線AB,BC,AC的斜率之和為-1,則++的值為( )
A.- B.-
C. D.
答案 B
解析 設(shè)A(xA,yA),B(xB,yB),C(xC,yC),
則
三個(gè)式子兩兩相減得
即
即
所以++=-.
5.若點(diǎn)O和點(diǎn)F分別為橢圓+=1的中心和左焦點(diǎn),點(diǎn)P為橢圓上的任意一點(diǎn),則的最大值為( )
A.2 B.3 C.6 D.8
答案 C
解析 由題意得F(-1,0),設(shè)點(diǎn)P(x0,y0),
則y=3(1-)(-2≤x0≤2).
=x0(x0+1)+y=x+x0+y
=x+x0+3(1-)=(x0+2)2+2.
又因?yàn)椋?≤x0≤2,所以當(dāng)x0=2時(shí),取得最大值,最大值為6,故選C.
6.已知雙曲線C:-=1(a>0,b>0)的離心率為,A,B為左,右頂點(diǎn),點(diǎn)P為雙曲線C在第一象限的任意一點(diǎn),點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),若直線PA,PB,PO的斜率分別為k1,k2,k3,記m=k1k2k3,則m的取值范圍為________.
答案 (0,2)
解析 ∵雙曲線C:-=1(a>0,b>0)的離心率為,∴e==,∴b=a,
設(shè)P(x,y),∵點(diǎn)P為雙曲線C在第一象限的任意一點(diǎn),
∴-=1,且x>0,y>0,
∵A,B為雙曲線C的左,右頂點(diǎn),點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),PA,PB,PO的斜率分別為k1,k2,k3,
∴k1k2==2,k3=>0,
又∵雙曲線的漸近線為y=x,
∴00,b>0)的漸近線與動(dòng)點(diǎn)P的軌跡沒有公共點(diǎn),則雙曲線離心率的取值范圍是________.
答案 (1,2)
解析 設(shè)P(x,y),由題設(shè)條件,
得動(dòng)點(diǎn)P的軌跡為(x-1)(x+1)+(y-2)(y-2)=0,
即x2+(y-2)2=1,它是以(0,2)為圓心,1為半徑的圓.
又雙曲線-=1(a>0,b>0)的漸近線方程為y=x,即bxay=0,
由題意,可得>1,即>1,
所以e=<2,
又e>1,故10)的一個(gè)焦點(diǎn)為F(-1,0),左,右頂點(diǎn)分別為A,B.經(jīng)過點(diǎn)F的直線l與橢圓M交于C,D兩點(diǎn).
(1)求橢圓方程;
(2)當(dāng)直線l的傾斜角為45時(shí),求線段CD的長(zhǎng);
(3)記△ABD與△ABC的面積分別為S1和S2,求|S1-S2|的最大值.
解 (1)因?yàn)镕(-1,0)為橢圓的焦點(diǎn),
所以c=1,又b2=3,所以a2=4,
所以橢圓方程為+=1.
(2)因?yàn)橹本€的傾斜角為45,所以直線的斜率為1,
所以直線方程為y=x+1,
和橢圓方程聯(lián)立
消掉y,得到7x2+8x-8=0,
所以Δ=288>0,x1+x2=-,x1x2=-,
所以|CD|=|x1-x2|=.
(3)當(dāng)直線l無斜率時(shí),直線方程為x=-1,
此時(shí)D(-1,),C(-1,-),
△ABD,△ABC面積相等,|S1-S2|=0.
當(dāng)直線l斜率存在(顯然k≠0)時(shí),設(shè)C(x1,y1),D(x2,y2),設(shè)直線方程為y=k(x+1)(k≠0),
和橢圓方程聯(lián)立
消掉y,得(3+4k2)x2+8k2x+4k2-12=0.
顯然Δ>0,方程有根,且x1+x2=-,
x1x2=.
此時(shí)|S1-S2|=2||y2|-|y1||=2|y2+y1|
=2|k(x2+1)+k(x1+1)|
=2|k(x2+x1)+2k|=.
因?yàn)閗≠0,上式=≤==(k=時(shí)等號(hào)成立),
所以|S1-S2|的最大值為.
B組 能力提高
11.過拋物線y=ax2 (a>0)的焦點(diǎn)F作一條直線交拋物線于A,B兩點(diǎn),若線段AF,BF的長(zhǎng)分別為m,n,則等于( )
A. B.
C.2a D.
答案 B
解析 顯然直線AB的斜率存在,故設(shè)直線方程為y=kx+,與y=ax2聯(lián)立,消去y得ax2-kx-=0,設(shè)A(x1,ax),B(x2,ax),則x1+x2=,x1x2=-,x+x=+,m=ax+,n=ax+,所以mn=,m+n=,∴=.故選B.
12.直線3x-4y+4=0與拋物線x2=4y和圓x2+(y-1)2=1從左到右的交點(diǎn)依次為A、B、C、D,則的值為________.
答案
解析 由得x2-3x-4=0,
∴xA=-1,xD=4,∴yA=,yD=4.
直線3x-4y+4=0恰過拋物線的焦點(diǎn)F(0,1),
∴|AF|=y(tǒng)A+1=,|DF|=y(tǒng)D+1=5,
∴==.
13.已知橢圓C的中心在坐標(biāo)原點(diǎn),焦點(diǎn)在x軸上,左頂點(diǎn)為A,左焦點(diǎn)為F1(-2,0),點(diǎn)B(2,)在橢圓C上,直線y=kx(k≠0)與橢圓C交于E,F(xiàn)兩點(diǎn),直線AE,AF分別與y軸交于點(diǎn)M,N.
(1)求橢圓C的方程;
(2)在x軸上是否存在點(diǎn)P,使得無論非零實(shí)數(shù)k怎樣變化,總有∠MPN為直角?若存在,求出點(diǎn)P的坐標(biāo);若不存在,請(qǐng)說明理由.
解 (1)設(shè)橢圓C的方程為+=1(a>b>0),
因?yàn)闄E圓的左焦點(diǎn)為F1(-2,0),
所以a2-b2=4.①
因?yàn)辄c(diǎn)B(2,)在橢圓C上,
所以+=1.②
由①②解得,a=2,b=2.
所以橢圓C的方程為+=1.
(2)方法一 因?yàn)闄E圓C的左頂點(diǎn)為A,
則點(diǎn)A的坐標(biāo)為(-2,0).
因?yàn)橹本€y=kx(k≠0)與橢圓+=1交于兩點(diǎn)E,F(xiàn),設(shè)點(diǎn)E(x0,y0)(不妨設(shè)x0>0),則點(diǎn)F(-x0,-y0).
聯(lián)立方程組消去y得x2=.
所以x0=,y0=.
所以直線AE的方程為y= (x+2).
因?yàn)橹本€AE與y軸交于點(diǎn)M,
令x=0得y=,即點(diǎn)M.
同理可得點(diǎn)N(0,).
假設(shè)在x軸上存在點(diǎn)P(t,0),使得∠MPN為直角,則=0.
即t2+=0,
即t2-4=0,解得t=2或t=-2.
故存在點(diǎn)P(2,0)或P(-2,0),無論非零實(shí)數(shù)k怎樣變化,總有∠MPN為直角.
方法二 因?yàn)闄E圓C的左頂點(diǎn)為A,則點(diǎn)A的坐標(biāo)為(-2,0).
因?yàn)橹本€y=kx(k≠0)與橢圓+=1交于兩點(diǎn)E,F(xiàn),設(shè)點(diǎn)E(x0,y0),則點(diǎn)F(-x0,-y0).
所以直線AE的方程為y=(x+2).
因?yàn)橹本€AE與y軸交于點(diǎn)M,
令x=0得y=,
即點(diǎn)M.
同理可得點(diǎn)N.
假設(shè)在x軸上存在點(diǎn)P(t,0),使得∠MPN為直角,則=0.
即t2+=0,
即t2+=0.
因?yàn)辄c(diǎn)E(x0,y0)在橢圓C上,所以+=1,
即y=.
將y=代入得t2-4=0.
解得t=2或t=-2.
故存在點(diǎn)P(2,0)或P(-2,0),無論非零實(shí)數(shù)k怎樣變化,總有∠MPN為直角.
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