资源描述
高考专题突破 高考中的圆锥曲线问题
考点自测
1.已知双曲线-=1 (a>0,b>0)和椭圆+=1有相同的焦点,且双曲线的离心率是椭圆离心率的两倍,则双曲线的方程为____________.
答案 -=1
解析 由题意得,双曲线-=1 (a>0,b>0)的焦点坐标为(,0),(-,0),c=;且双曲线的离心率为2×==⇒a=2,b2=c2-a2=3,
双曲线的方程为-=1.
2.已知椭圆+=1 (a>b>0)与抛物线y2=2px (p>0)有相同的焦点F,P,Q是椭圆与抛物线的交点,若PQ经过焦点F,则椭圆+=1 (a>b>0)的离心率为____________.
答案 -1
解析 由于抛物线y2=2px (p>0)的焦点F为,设椭圆另一焦点为E.
当x=时代入抛物线方程得y=±p,
又由于PQ经过焦点F,所以P且PF⊥OF.
所以|PE|= =p,
|PF|=p,|EF|=p.
故2a= p+p,2c=p,e==-1.
3.若双曲线-=1的一条渐近线被圆(x-2)2+y2=4所截得的弦长为2,则该双曲线的实轴长为( )
A.1 B.2 C.3 D.6
答案 B
解析 双曲线-=1的渐近线方程为y=±x,即x±ay=0,圆(x-2)2+y2=4的圆心为C(2,0),半径为r=2,如图,由圆的弦长公式得弦心距|CD|==,另一方面,圆心C(2,0)到双曲线-=1的渐近线x-ay=0的距离为d==,所以=,解得a2=1,即a=1,该双曲线的实轴长为2a=2.
4.若双曲线-=1 (a>0,b>0)的渐近线与抛物线y=x2+2有公共点,则此双曲线的离心率的取值范围是( )
A.[3,+∞) B.(3,+∞)
C.(1,3] D.(1,3)
答案 A
解析 依题意可知双曲线渐近线方程为y=±x,与抛物线方程联立消去y得x2±x+2=0.
∵渐近线与抛物线有交点,
∴Δ=-8≥0,求得b2≥8a2,
∴c= ≥3a,∴e=≥3.
5.设坐标原点为O,抛物线y2=2x与过焦点的直线交于A、B两点,则·等于( )
A. B.- C.3 D.-3
答案 B
解析 方法一 (特殊值法)
抛物线的焦点为F,过F且垂直于x轴的直线交抛物线于A(,1),B(,-1),
∴·=·=-1=-.
方法二 设A(x1,y1),B(x2,y2),
则·=x1x2+y1y2.
由抛物线的过焦点的弦的性质知:
x1x2==,y1y2=-p2=-1.
∴·=-1=-.
题型一 圆锥曲线中的范围、最值问题
例1 如图所示,在直角坐标系xOy中,点P(1,)到抛物线C:y2=2px(p>0)的准线的距离为.点M(t,1)是C上的定点,A,B是C上的两动点,且线段AB的中点Q(m,n)在直线OM上.
(1)求曲线C的方程及t的值;
(2)记d=,求d的最大值.
思维点拨 (2)用点差法求kAB,用m表示出|AB|,利用基本不等式求最值.
解 (1)y2=2px(p>0)的准线x=-,
∴1-(-)=,p=,
∴抛物线C的方程为y2=x.
又点M(t,1)在曲线C上,∴t=1.
(2)由(1)知,点M(1,1),从而n=m,即点Q(m,m),
依题意,直线AB的斜率存在,且不为0,
设直线AB的斜率为k(k≠0).
且A(x1,y1),B(x2.y2),
由得(y1-y2)(y1+y2)=x1-x2,
故k·2m=1,
∴直线AB的方程为y-m=(x-m),
即x-2my+2m2-m=0.
由消去x,
整理得y2-2my+2m2-m=0,
∴Δ=4m-4m2>0,y1+y2=2m,y1y2=2m2-m.
从而|AB|= ·|y1-y2|
=·
=2.
∴d==2≤m+(1-m)=1,
当且仅当m=1-m,即m=时,上式等号成立,
又m=满足Δ=4m-4m2>0.∴d的最大值为1.
思维升华 圆锥曲线中最值问题的解决方法一般分两种:一是几何法,特殊是用圆锥曲线的定义和平面几何的有关结论来求最值;二是代数法,常将圆锥曲线的最值问题转化为二次函数或三角函数的最值问题,然后利用基本不等式、函数的单调性或三角函数的有界性等求最值.
已知点A(-1,0),B(1,0),动点M的轨迹曲线C满足∠AMB=2θ,||·||cos2θ=3,过点B的直线交曲线C于P,Q两点.
(1)求||+||的值,并写出曲线C的方程;
(2)求△APQ面积的最大值.
解 (1)设M(x,y),在△MAB中,
|AB|=2,∠AMB=2θ,
依据余弦定理得
||2+||2-2||·||cos 2θ=4.
即(||+||)2-2||·||(1+cos 2θ)=4.
(||+||)2-4||·||cos2θ=4.
而||·||cos2θ=3,
所以(||+||)2-4×3=4.
所以||+||=4.
又||+||=4>2=|AB|,
因此点M的轨迹是以A,B为焦点的椭圆(点M在x轴上也符合题意),a=2,c=1.
所以曲线C的方程为+=1.
(2)设直线PQ的方程为x=my+1.
由
消去x并整理得(3m2+4)y2+6my-9=0.①
明显方程①的Δ>0,设P(x1,y1),Q(x2,y2),
则S△APQ=×2×|y1-y2|=|y1-y2|.
由根与系数的关系得
y1+y2=-,y1y2=-.
所以(y1-y2)2=(y1+y2)2-4y1y2=48×.
令t=3m2+3,则t≥3,(y1-y2)2=.
由于函数φ(t)=t+在[3,+∞)上是增函数,
所以t+≥,当t=3m2+3=3,即m=0时取等号.
所以(y1-y2)2≤=9,即|y1-y2|的最大值为3.
所以△APQ面积的最大值为3,
此时直线PQ的方程为x=1.
题型二 圆锥曲线中的定点、定值问题
例2 在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆+=1的左,右顶点分别为A,B,右焦点为F.设过点T(t,m)的直线TA,TB与此椭圆分别交于点M(x1,y1),N(x2,y2),其中m>0,y1>0,y2<0.
(1)设动点P满足:|PF|2-|PB|2=4,求点P的轨迹;
(2)设x1=2,x2=,求点T的坐标;
(3)设t=9,求证:直线MN必过x轴上的确定点(其坐标与m无关).
(1)解 设P(x,y),由题意知F(2,0),B(3,0),A(-3,0),
则|PF|2=(x-2)2+y2,|PB|2=(x-3)2+y2,
由|PF|2-|PB|2=4,得(x-2)2+y2-[(x-3)2+y2]=4,
化简,得x=.故点P的轨迹方程是x=.
(2)解 将x1=2,x2=分别代入椭圆方程,
并考虑到y1>0,y2<0,得M,N.
则直线MA的方程为=,即x-3y+3=0.
直线NB的方程为=,即5x-6y-15=0.
联立方程解得x=7,y=,
所以点T的坐标为.
(3)证明 如图所示,点T的坐标为(9,m).
直线TA的方程为=,
直线TB的方程为=,
分别与椭圆+=1联立方程,
解得M,N.
直线MN的方程为
=.
令y=0,解得x=1,
所以直线MN必过x轴上的确定点(1,0).
思维升华 求定点及定值问题常见的方法有两种:
(1)从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变量无关.
(2)直接推理、计算,并在计算推理的过程中消去变量,从而得到定值.
(2021·江西)椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e= ,a+b=3.
(1)求椭圆C的方程;
(2)如图所示,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.
(1)解 由于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 方法一 由于B(2,0),点P不为椭圆顶点,则直线BP的方程为y=k(x-2)(k≠0,k≠±),①
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
=,解得N.
所以MN的斜率为m=
==.
则2m-k=-k=(定值).
方法二 设P(x0,y0)(x0≠0,±2),则k=,
直线AD的方程为y=(x+2),
直线BP的方程为y=(x-2),
直线DP的方程为y-1=x,令y=0,
由于y0≠1可得N,
联立
解得M,
因此MN的斜率为
m==
=
=.
所以2m-k=-
=
=
=
=(定值).
题型三 圆锥曲线中的探究性问题
例3 在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率e= ,且椭圆C上的点到点Q(0,2)的距离的最大值为3.
(1)求椭圆C的方程.
(2)在椭圆C上,是否存在点M(m,n),使得直线l:mx+ny=1与圆O:x2+y2=1相交于不同的两点A、B,且△OAB的面积最大?若存在,求出点M的坐标及对应的△OAB的面积;若不存在,请说明理由.
思维点拨 圆锥曲线中,这类问题的解题思想是假设其结论成立、存在等,在这个假设下进行推理论证,假如得到了一个合情合理的推理结果,就确定假设,对问题作出正面回答;假如得到一个冲突的结果,就否定假设,对问题作出反面回答.
解 (1)∵e2===,
∴a2=3b2,
∴椭圆方程为+=1,即x2+3y2=3b2.
设椭圆上的点到点Q(0,2)的距离为d,则
d==
==,
∴当y=-1时,d取得最大值,dmax==3,
解得b2=1,∴a2=3.
∴椭圆C的方程为+y2=1.
(2)假设存在点M(m,n)满足题意,则+n2=1,
即m2=3-3n2.
设圆心到直线l的距离为d′,则d′<1,
d′==.
∴|AB|=2=2 .
∴S△OAB=|AB|d′=·2 ·
= .
∵d′<1,∴m2+n2>1,
∴0<<1,
∴1->0.
∴S△OAB=
≤ =,
当且仅当=1-,
即m2+n2=2>1时,S△OAB取得最大值.
由得
∴存在点M满足题意,M点坐标为,,或,
此时△OAB的面积为.
思维升华 (1)探究性问题通常接受“确定顺推法”,将不确定性问题明朗化.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探究性问题常用的方法.
已知椭圆C1、抛物线C2的焦点均在x轴上,C1的中心和C2的顶点均为原点O,从每条曲线上各取两个点,将其坐标记录于下表中:
x
3
-2
4
y
-2
0
-4
(1)求C1,C2的标准方程;
(2)是否存在直线l满足条件:①过C2的焦点F;②与C1交于不同的两点M,N,且满足⊥?若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由.
解 (1)设抛物线C2:y2=2px(p≠0),则有=2p(x≠0),据此验证四个点知(3,-2),(4,-4)在C2上,
易求得C2的标准方程为y2=4x.
设椭圆C1:+=1(a>b>0),
把点(-2,0),(,)代入得
解得,所以C1的标准方程为+y2=1.
(2)简洁验证当直线l的斜率不存在时,不满足题意.
当直线l的斜率存在时,设其方程为y=k(x-1),
与C1的交点为M(x1,y1),N(x2,y2).
由
消去y并整理得(1+4k2)x2-8k2x+4(k2-1)=0,
于是x1+x2=,①
x1x2=.②
所以y1y2=k2(x1-1)(x2-1)=k2[x1x2-(x1+x2)+1]
=k2[-+1]=-.③
由⊥,即·=0,得x1x2+y1y2=0.(*)
将②③代入(*)式,得-==0,
解得k=±2,所以存在直线l满足条件,
且直线l的方程为2x-y-2=0或2x+y-2=0.
题型四 直线、圆及圆锥曲线的交汇问题
例4 (2021·浙江)如图,点P(0,-1)是椭圆C1:+=1(a>b>0)的一个顶点,C1的长轴是圆C2:x2+y2=4的直径.l1,l2是过点P且相互垂直的两条直线,其中l1交圆C2于A,B两点,l2交椭圆C1于另一点D.
(1)求椭圆C1的方程;
(2)求△ABD面积取最大值时直线l1的方程.
思维点拨 (1)依据椭圆的几何性质易求出a,b的值,从而写出椭圆的方程;
(2)要求△ABD的面积,需要求出AB,PD的长,AB是圆的弦,考虑用圆的学问来求,PD应当考虑用椭圆的相关学问来求.求出AB,PD的长后,表示出△ABD的面积,再依据式子的形式选择适当的方法求最值.
解 (1)由题意得
所以椭圆C1的方程为+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),D(x0,y0).
由题意知直线l1的斜率存在,不妨设其为k,
则直线l1的方程为y=kx-1.
又圆C2:x2+y2=4,
故点O到直线l1的距离d=,
所以|AB|=2=2.
又l2⊥l1,故直线l2的方程为x+ky+k=0.
由
消去y,整理得(4+k2)x2+8kx=0,
故x0=-.
所以|PD|=.
设△ABD的面积为S,
则S=·|AB|·|PD|=,
所以S=
≤=,
当且仅当k=±时取等号.
所以所求直线l1的方程为y=±x-1.
思维升华 对直线、圆及圆锥曲线的交汇问题,要认真审题,学会将问题拆分成基本问题,然后综合利用数形结合思想、化归与转化思想、方程的思想等来解决问题,这样可以渐渐增加自己解决综合问题的力气.
如图,已知圆M:(x-)2+y2=,椭圆C:+=1 (a>b>0)的右顶点为圆M的圆心,左焦点与双曲线x2-y2=1的左顶点重合.
(1)求椭圆C的方程;
(2)已知直线l:y=kx与椭圆C分别交于两点A,B,与圆M分别交于两点G,H(其中点G在线段AB上),且|AG|=|BH|,求k的值.
解 (1)由题意,圆心M(,0),双曲线的左顶点(-1,0),所以a=,c=1,b=1,椭圆C的方程为+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),由直线l与椭圆相交于两点A,B,则
所以(1+2k2)x2-2=0,则x1+x2=0,x1x2=-,
所以|AB|= = .
点M(,0)到直线l的距离d=,
则|GH|=2=2 .
明显,若点H也在线段AB上,则由对称性知,直线y=kx就是y轴,冲突.
由于|AG|=|BH|,所以|AB|=|GH|,
即=4,
整理得4k4-3k2-1=0.
解得k2=1,即k=±1.
(时间:80分钟)
1.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,说明理由.
解 方法一 (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.
由于直线l与椭圆C有公共点,
所以Δ=(3t)2-4×3×(t2-12)≥0,
解得-4≤t≤4.
另一方面,由直线OA与l的距离d=4,得=4,解得t=±2.
由于±2∉[-4,4],
所以符合题意的直线l不存在.
方法二 (1)依题意,可设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),
且有解得b2=12,b2=-3(舍去).
从而a2=16.
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)同方法一.
2.已知椭圆C:+=1 (a>b>0)与双曲线+=1 (1<v<4)有公共焦点,过椭圆C的右顶点B任意作直线l,设直线l交抛物线y2=2x于P、Q两点,且OP⊥OQ.
(1)求椭圆C的方程;
(2)在椭圆C上,是否存在点R(m,n)使得直线l:mx+ny=1与圆O:x2+y2=1相交于不同的两点M、N,且△OMN的面积最大?若存在,求出点R的坐标及对应的△OMN的面积;若不存在,请说明理由.
解 (1)∵1<v<4,∴双曲线的焦点在x轴上,设F(±c,0),则c2=4-v+v-1=3,
由椭圆C与双曲线共焦点,知a2-b2=3,
设直线l的方程为x=ty+a,
代入y2=2x,可得y2-2ty-2a=0,
设P(x1,y1),Q(x2,y2),则y1+y2=2t,y1y2=-2a,
∵OP⊥OQ,∴x1x2+y1y2=a2-2a=0,
∴a=2,b=1,∴椭圆C的方程为+y2=1.
(2)在△MON中,S△OMN=|OM||ON|sin∠MON=sin∠MON.
当∠MON=90°时,sin∠MON有最大值,
此时点O到直线l的距离为d==,
∴m2+n2=2.又∵m2+4n2=4,
联立解得m2=,n2=,
此时点R的坐标或,△MON的面积为.
3.已知椭圆C的中心为坐标原点O,一个长轴顶点为(0,2),它的两个短轴顶点和焦点所组成的四边形为正方形,直线l与y轴交于点P(0,m),与椭圆C交于异于椭圆顶点的两点A,B,且=2.
(1)求椭圆的方程;
(2)求m的取值范围.
解 (1)由题意,知椭圆的焦点在y轴上,
设椭圆方程为+=1(a>b>0),
由题意,知a=2,b=c,又a2=b2+c2,则b=,
所以椭圆方程为+=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),由题意,知直线l的斜率存在,
设其方程为y=kx+m,与椭圆方程联立,
即消去y,得
(2+k2)x2+2mkx+m2-4=0,
Δ=(2mk)2-4(2+k2)(m2-4)>0,
由根与系数的关系,知
又=2,即有(-x1,m-y1)=2(x2,y2-m),
所以-x1=2x2.
则所以=-22.
整理,得(9m2-4)k2=8-2m2,
又9m2-4=0时等式不成立,
所以k2=>0,得<m2<4,此时Δ>0.
所以m的取值范围为∪.
4.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,
故椭圆的标准方程为+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,①
x1x2=.②
∵·=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.(*)
将①②代入(*)得2·-(m-1)+m2-m=0,
解得m=-或m=1,经检验m=-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-.
5.(2021·重庆)如图,椭圆的中心为原点O,长轴在x轴上,离心率e=,过左焦点F1作x轴的垂线交椭圆于A,A′两点,|AA′|=4.
(1)求该椭圆的标准方程;
(2)取垂直于x轴的直线与椭圆相交于不同的两点P,P′,过P,P′作圆心为Q的圆,使椭圆上的其余点均在圆Q外.若PQ⊥P′Q,求圆Q的标准方程.
解 (1)由题意知点A(-c,2)在椭圆上,
则+=1.从而e2+=1.
由e=得b2==8,从而a2==16.
故该椭圆的标准方程为+=1.
(2)由椭圆的对称性,可设Q(x0,0).
又设M(x,y)是椭圆上任意一点,则|QM|2=(x-x0)2+y2=x2-2x0x+x+8=(x-2x0)2-x+8(x∈[-4,4]).
设P(x1,y1),由题意知,点P是椭圆上到点Q的距离最小的点.
因此,上式当x=x1时取最小值,又由于x1∈(-4,4),所以上式当x=2x0时取最小值,
从而x1=2x0,且|QP|2=8-x.
由于PQ⊥P′Q,且P′(x1,-y1),
所以·=(x1-x0,y1)·(x1-x0,-y1)=0,
即(x1-x0)2-y=0.
由椭圆方程及x1=2x0得x-8=0,
解得x1=±,x0==±.
从而|QP|2=8-x=.
故这样的圆有两个,其标准方程分别为
2+y2=,2+y2=.
6.在平面直角坐标系xOy中,已知双曲线C1:2x2-y2=1.
(1)过C1的左顶点引C1的一条渐近线的平行线,求该直线与另一条渐近线及x轴围成的三角形的面积.
(2)设斜率为1的直线l交C1于P、Q两点.若l与圆x2+y2=1相切,求证:OP⊥OQ.
(3)设椭圆C2:4x2+y2=1.若M、N分别是C1、C2上的动点,且OM⊥ON,求证:O到直线MN的距离是定值.
(1)解 双曲线C1:-y2=1,左顶点A,渐近线方程:y=±x.
不妨取过点A与渐近线y=x平行的直线方程为
y=,即y=x+1.
解方程组得
所以所求三角形的面积为S=|OA||y|=.
(2)证明 设直线PQ的方程是y=x+b.
由于直线PQ与已知圆相切,故=1,即b2=2.
由得x2-2bx-b2-1=0.
设P(x1,y1)、Q(x2,y2),则
又y1y2=(x1+b)(x2+b),
所以·=x1x2+y1y2=2x1x2+b(x1+x2)+b2
=2(-1-b2)+2b2+b2=b2-2=0.
故OP⊥OQ.
(3)证明 当直线ON垂直于x轴时,
|ON|=1,|OM|=,则O到直线MN的距离为.
当直线ON不垂直于x轴时,设直线ON的方程为y=kx,
则直线OM的方程为y=-x.
由得
所以|ON|2=.
同理|OM|2=.
设O到直线MN的距离为d,
由于(|OM|2+|ON|2)d2=|OM|2|ON|2,
所以=+==3,即d=.
综上,O到直线MN的距离是定值.
展开阅读全文