第三課時(shí) 題型上——高考3大題型逐一精研
題型一 定點(diǎn)、定值問題

定點(diǎn)問題
[例1] 已知橢圓C:+=1(a>b>0)的右焦點(diǎn)F(,0),長(zhǎng)半軸長(zhǎng)與短半軸長(zhǎng)的比值為2.
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)設(shè)不經(jīng)過點(diǎn)B(0,1)的直線l與橢圓C相交于不同的兩點(diǎn)M,N,若點(diǎn)B在以線段MN為直徑的圓上,證明直線l過定點(diǎn),并求出該定點(diǎn)的坐標(biāo).
[解] (1)由題意得,c=,=2,a2=b2+c2,
∴a=2,b=1,
∴橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程為+y2=1.
(2)證明:當(dāng)直線l的斜率存在時(shí),設(shè)直線l的方程為y=kx+m(m≠1),M(x1,y1),N(x2,y2).
由消去y可得(4k2+1)x2+8kmx+4m2-4=0.
∴Δ=16(4k2+1-m2)>0,x1+x2=,x1x2=.
∵點(diǎn)B在以線段MN為直徑的圓上,∴·=0.
∵·=(x1,kx1+m-1)·(x2,kx2+m-1)=(k2+1)x1x2+k(m-1)(x1+x2)+(m-1)2=0,
∴(k2+1)+k(m-1)+(m-1)2=0,
整理,得5m2-2m-3=0,
解得m=-或m=1(舍去).
∴直線l的方程為y=kx-.
易知當(dāng)直線l的斜率不存在時(shí),不符合題意.
故直線l過定點(diǎn),且該定點(diǎn)的坐標(biāo)為.

圓錐曲線中定點(diǎn)問題的兩種解法
(1)引進(jìn)參數(shù)法:引進(jìn)動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)或動(dòng)線中系數(shù)為參數(shù)表示變化量,再研究變化的量與參數(shù)何時(shí)沒有關(guān)系,找到定點(diǎn).
(2)特殊到一般法,根據(jù)動(dòng)點(diǎn)或動(dòng)線的特殊情況探索出定點(diǎn),再證明該定點(diǎn)與變量無關(guān).    
[過關(guān)訓(xùn)練]
1.如圖,已知直線l:y=kx+1(k>0)關(guān)于直線y=x+1對(duì)稱的直線為l1,直線l,l1與橢圓E:+y2=1分別交于點(diǎn)A,M和A,N,記直線l1的斜率為k1.
(1)求k·k1的值;
(2)當(dāng)k變化時(shí),試問直線MN是否恒過定點(diǎn)?若恒過定點(diǎn),求出該定點(diǎn)坐標(biāo);若不恒過定點(diǎn),請(qǐng)說明理由.
解:(1)設(shè)直線l上任意一點(diǎn)P(x,y)關(guān)于直線y=x+1對(duì)稱的點(diǎn)為P0(x0,y0),
直線l與直線l1的交點(diǎn)為(0,1),
∴l(xiāng):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
∴k·k1=
==1.
(2)由得(4k2+1)x2+8kx=0,
設(shè)M(xM,yM),N(xN,yN),
∴xM=,yM=.
同理可得xN==,yN==.
kMN====-,
直線MN:y-yM=kMN(x-xM),
即y-=-,
即y=-x-+=-x-.
∴當(dāng)k變化時(shí),直線MN過定點(diǎn).

定值問題
[例2] (2019·沈陽模擬)已知橢圓C:+=1(a>b>0)的焦點(diǎn)為F1,F(xiàn)2,離心率為,點(diǎn)P為其上一動(dòng)點(diǎn),且三角形PF1F2的面積最大值為,O為坐標(biāo)原點(diǎn).
(1)求橢圓C的方程;
(2)若點(diǎn)M,N為C上的兩個(gè)動(dòng)點(diǎn),求常數(shù)m,使·=m時(shí),點(diǎn)O到直線MN的距離為定值,求這個(gè)定值.
[解] (1)當(dāng)點(diǎn)P位于短軸的端點(diǎn)時(shí),△PF1F2的面積最大,即×2c×b=,
則有解得
所以橢圓C的方程為+=1.
(2)設(shè)M(x1,y1),N(x2,y2),則x1x2+y1y2=m,
當(dāng)直線MN的斜率存在時(shí),設(shè)其方程為y=kx+n,則點(diǎn)O到直線MN的距離d= = ,
聯(lián)立消去y,得(4k2+3)x2+8knx+4n2-12=0, 由Δ>0得4k2-n2+3>0,
則x1+x2=-,x1x2=,
所以x1x2+(kx1+n)(kx2+n)=(k2+1)x1x2+kn(x1+x2)+n2=m,整理得=12+.
因?yàn)閐= 為常數(shù),則m=0,d= =,
此時(shí)=12滿足Δ>0.
當(dāng)MN⊥x軸時(shí),由m=0得kOM=±1,
聯(lián)立消去y,得x2=,
點(diǎn)O到直線MN的距離d=|x|=亦成立.
綜上可知,當(dāng)m=0時(shí),點(diǎn)O到直線MN的距離為定值,這個(gè)定值是.

圓錐曲線中定值問題的特點(diǎn)及兩大解法
(1)特點(diǎn):待證幾何量不受動(dòng)點(diǎn)或動(dòng)線的影響而有固定的值.
(2)兩大解法:
①?gòu)奶厥馊胧?,求出定值,再證明這個(gè)值與變量無關(guān);
②引起變量法:其解題流程為

[過關(guān)訓(xùn)練]
2.(2019·昆明調(diào)研)已知橢圓C:+=1(a>b>0)的焦距為4,P是橢圓C上的點(diǎn).
(1)求橢圓C的方程;
(2)O為坐標(biāo)原點(diǎn),A,B是橢圓C上不關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱的兩點(diǎn),設(shè)=+,證明:直線AB的斜率與OD的斜率的乘積為定值.
解:(1)由題意知2c=4,即c=2,
則橢圓C的方程為+=1,
因?yàn)辄c(diǎn)P在橢圓C上,
所以+=1,解得a2=5或a2=(舍去),
所以橢圓C的方程為+y2=1.
(2)證明:設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2),x1≠x2且x1+x2≠0,
由+=,得D(x1+x2,y1+y2),
所以直線AB的斜率kAB=,
直線OD的斜率kOD=,
由得(x1+x2)(x1-x2)+(y1+y2)(y1-y2)=0,即·=-,
所以kAB·kOD=-.
故直線AB的斜率與OD的斜率的乘積為定值-.
題型二 最值、范圍問題

最值問題
[例1] (2018·南昌模擬)已知拋物線C:y2=2px(p>0)的焦點(diǎn)為F,準(zhǔn)線為l,過焦點(diǎn)F的直線交C于A(x1,y1),B(x2,y2)兩點(diǎn),y1y2=-4.
(1)求拋物線C的方程;
(2)如圖,點(diǎn)B在準(zhǔn)線l上的正投影為E,D是C上一點(diǎn),且AD⊥EF,求△ABD面積的最小值及此時(shí)直線AD的方程.
[解] (1)依題意知F,
當(dāng)直線AB的斜率不存在時(shí),y1y2=-p2=-4,
解得p=2.
當(dāng)直線AB的斜率存在時(shí),設(shè)lAB:y=k(k≠0),
由消去x并整理,得y2-y-p2=0,
則y1y2=-p2,
由y1y2=-4,得p2=4,解得p=2.
綜上所述,拋物線C的方程為y2=4x.
(2)設(shè)D(x0,y0),B,
則E(-1,t),又由y1y2=-4,可得A.
因?yàn)閗EF=-,AD⊥EF,所以kAD=,
則直線lAD的方程為y+=,
化簡(jiǎn)得2x-ty-4-=0.
由消去x并整理,得y2-2ty-8-=0,Δ=(-2t)2-4=4t2++32>0恒成立,
所以y1+y0=2t,y1y0=-8-.
于是|AD|=|y1-y0|== ,
設(shè)點(diǎn)B到直線AD的距離為d,則d==.
所以S△ABD=|AD|·d=≥16,
當(dāng)且僅當(dāng)t4=16,即t=±2時(shí)取等號(hào),即△ABD面積的最小值為16.
當(dāng)t=2時(shí),直線AD的方程為x-y-3=0;當(dāng)t=-2時(shí),直線AD的方程為x+y-3=0.

圓錐曲線中的最值問題類型較多,解法靈活多變,但總體上主要有兩種方法:一是利用幾何法,即通過利用曲線的定義、幾何性質(zhì)以及平面幾何中的定理、性質(zhì)等進(jìn)行求解;二是利用代數(shù)法,即把要求最值的幾何量或代數(shù)表達(dá)式表示為某個(gè)(些)參數(shù)的函數(shù)(解析式),然后利用函數(shù)方法、不等式方法等進(jìn)行求解.    
[過關(guān)訓(xùn)練]
1.(2018·安康質(zhì)檢)已知橢圓+=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn)分別為F1和F2,由M(-a,b),N(a,b),F(xiàn)2和F1這4個(gè)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)高為,面積為3的等腰梯形.
(1)求橢圓的方程;
(2)過點(diǎn)F1的直線和橢圓交于A,B兩點(diǎn),求△F2AB面積的最大值.
解:(1)由已知條件,得b=,且×=3,
∴a+c=3.又a2-c2=3,∴a=2,c=1,
∴橢圓的方程為+=1.
(2)顯然,直線的斜率不能為0,
設(shè)直線的方程為x=my-1,A(x1,y1),B(x2,y2).
聯(lián)立方程,得消去x得,
(3m2+4)y2-6my-9=0.
∵直線過橢圓內(nèi)的點(diǎn),
∴無論m為何值,直線和橢圓總相交.
∴y1+y2=,y1y2=-.
∴=|F1F2||y1-y2|=|y1-y2|
==12
=4=4,
令t=m2+1≥1,設(shè)f(t)=t+,易知t∈時(shí),函數(shù)f(t)單調(diào)遞減,t∈時(shí),函數(shù)f(t)單調(diào)遞增,
∴當(dāng)t=m2+1=1,即m=0時(shí),f(t)取得最小值,f(t)min=,此時(shí),取得最大值3.

范圍問題
[例2] (2019·合肥模擬)已知橢圓C:+=1(a>b>0)的離心率為,且以原點(diǎn)為圓心,橢圓的焦距為直徑的圓與直線xsin θ+ycos θ-1=0相切(θ為常數(shù)).
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)若橢圓C的左、右焦點(diǎn)分別為F1,F(xiàn)2,過F2作直線l與橢圓交于M,N兩點(diǎn),求·的取值范圍.
[解] (1)由題意,得解得
故橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程為+y2=1.
(2)由(1)得F1(-1,0),F(xiàn)2(1,0).
①若直線l的斜率不存在,則直線l⊥x軸,直線l的方程為x=1,不妨記M,N,
∴=,=,
故·=.
②若直線l的斜率存在,設(shè)直線l的方程為y=k(x-1),
由消去y得,
(1+2k2)x2-4k2x+2k2-2=0,
設(shè)M(x1,y1),N(x2,y2),
則x1+x2=,x1x2=.①
=(x1+1,y1),=(x2+1,y2),
則·=(x1+1)(x2+1)+y1y2=(x1+1)(x2+1)+k(x1-1)·k(x2-1)=(1+k2)x1x2+(1-k2)(x1+x2)+1+k2,
結(jié)合①可得·=++1+k2==-,
由k2≥0可得·∈.
綜上可知,·的取值范圍是.

解決圓錐曲線中的取值范圍問題應(yīng)考慮的五個(gè)方面
(1)利用圓錐曲線的幾何性質(zhì)或判別式構(gòu)造不等關(guān)系,從而確定參數(shù)的取值范圍;
(2)利用已知參數(shù)的范圍,求新參數(shù)的范圍,解這類問題的核心是建立兩個(gè)參數(shù)之間的等量關(guān)系;
(3)利用隱含的不等關(guān)系建立不等式,從而求出參數(shù)的取值范圍;
(4)利用已知的不等關(guān)系構(gòu)造不等式,從而求出參數(shù)的取值范圍;
(5)利用求函數(shù)的值域的方法將待求量表示為其他變量的函數(shù),求其值域,從而確定參數(shù)的取值范圍.    
[過關(guān)訓(xùn)練]
2.(2019·惠州調(diào)研)如圖,橢圓C:+=1(a>b>0)的右頂點(diǎn)為A(2,0),左、右焦點(diǎn)分別為F1,F(xiàn)2,過點(diǎn)A且斜率為的直線與y軸交于點(diǎn)P,與橢圓交于另一個(gè)點(diǎn)B,且點(diǎn)B在x軸上的射影恰好為點(diǎn)F1.
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)過點(diǎn)P且斜率大于的直線與橢圓交于M,N兩點(diǎn)(|PM|>|PN|),若S△PAM∶S△PBN=λ,求實(shí)數(shù)λ的取值范圍.
解:(1)因?yàn)锽F1⊥x軸,所以點(diǎn)B,
所以解得
所以橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程是+=1.
(2)因?yàn)椋剑剑溅?=(λ>2),
所以=-.
由(1)可知P(0,-1),
設(shè)直線MN的方程為y=kx-1,
M(x1,y1),N(x2,y2),
聯(lián)立方程,得
化簡(jiǎn)得,(4k2+3)x2-8kx-8=0.
得(*)
又=(x1,y1+1),=(x2,y2+1),有x1=-x2,
將x1=-x2代入(*)可得,=.
因?yàn)閗>,所以=∈(1,4),
則1<<4且λ>2,解得4<λ<4+2.
綜上所述,實(shí)數(shù)λ的取值范圍為(4,4+2).
題型三 證明、探索性問題


證明問題
[例1] (2018·全國(guó)卷Ⅰ)設(shè)橢圓C:+y2=1的右焦點(diǎn)為F,過F的直線l與C交于A,B兩點(diǎn),點(diǎn)M的坐標(biāo)為(2,0).
(1)當(dāng)l與x軸垂直時(shí),求直線AM的方程;
(2)設(shè)O為坐標(biāo)原點(diǎn),證明:∠OMA=∠OMB.
[解] (1)由已知得F(1,0),直線l的方程為x=1.
則點(diǎn)A的坐標(biāo)為或.
又M(2,0),
所以直線AM的方程為y=-x+或y=x-,
即x+y-2=0或x-y-2=0.
(2)證明:當(dāng)l與x軸重合時(shí),∠OMA=∠OMB=0°.
當(dāng)l與x軸垂直時(shí),OM為AB的垂直平分線,
所以∠OMA=∠OMB.
當(dāng)l與x軸不重合也不垂直時(shí),設(shè)l的方程為
y=k(x-1)(k≠0),A(x1,y1),B(x2,y2),
則x1<,x2<,直線MA,MB的斜率之和為
kMA+kMB=+.
由y1=kx1-k,y2=kx2-k,
得kMA+kMB=.
將y=k(x-1)代入+y2=1,
得(2k2+1)x2-4k2x+2k2-2=0,
所以x1+x2=,x1x2=.
則2kx1x2-3k(x1+x2)+4k
==0.
從而kMA+kMB=0,故MA,MB的傾斜角互補(bǔ).
所以∠OMA=∠OMB.綜上,∠OMA=∠OMB成立.

圓錐曲線中證明問題,常見位置關(guān)系方面的,如證明相切、垂直、過定點(diǎn)等;數(shù)量關(guān)系方面的,如存在定值、恒成立等.在熟悉圓錐曲線的定義和性質(zhì)的前提下,要多采用直接法證明,但有時(shí)也會(huì)用到反證法.    
[過關(guān)訓(xùn)練]
1.(2018·全國(guó)卷Ⅲ)已知斜率為k的直線l與橢圓C:+=1交于A,B兩點(diǎn),線段AB的中點(diǎn)為M(1,m)(m>0).
(1)證明:k<-;
(2)設(shè)F為C的右焦點(diǎn),P為C上一點(diǎn),且++=0.證明:||,||,||成等差數(shù)列,并求該數(shù)列的公差.
證明:(1)設(shè)A(x1,y1),B(x2,y2),
則+=1,+=1.
兩式相減,并由=k得+·k=0.
由題設(shè)知=1,=m,于是k=-.①
由題設(shè)得0<m<,故k<-.
(2)由題意得F(1,0).設(shè)P(x3,y3),
則(x3-1,y3)+(x1-1,y1)+(x2-1,y2)=(0,0).
由(1)及題設(shè)得x3=3-(x1+x2)=1,
y3=-(y1+y2)=-2m<0.
又點(diǎn)P在C上,所以m=,
從而P,||=,
于是||===2-.
同理||=2-.
所以||+||=4-(x1+x2)=3.
故2||=||+||,
即||,||,||成等差數(shù)列.
設(shè)該數(shù)列的公差為d,
則2|d|=|||-|||=|x1-x2|
= .②
將m=代入①得k=-1,
所以l的方程為y=-x+,
代入C的方程,并整理得7x2-14x+=0.
故x1+x2=2,x1x2=,代入②解得|d|=.
所以該數(shù)列的公差為或-.


探索性問題
[例2] (2019·合肥質(zhì)檢)
如圖,在平面直角坐標(biāo)系中,點(diǎn)F(-1,0),過直線l:x=-2右側(cè)的動(dòng)點(diǎn)P作PA⊥l于點(diǎn)A,∠APF的平分線交x軸于點(diǎn)B,|PA|=|BF|.
(1)求動(dòng)點(diǎn)P的軌跡C的方程;
(2)過點(diǎn)F的直線q交曲線C于M,N,試問:x軸正半軸上是否存在點(diǎn)E,直線EM,EN分別交直線l于R,S兩點(diǎn),使∠RFS為直角?若存在,求出點(diǎn)E的坐標(biāo),若不存在,請(qǐng)說明理由.
[解] (1)設(shè)P(x,y),由平面幾何知識(shí)得=,
即=,化簡(jiǎn)得+y2=1,
所以動(dòng)點(diǎn)P的軌跡C的方程為+y2=1(x≠).
(2)假設(shè)滿足條件的點(diǎn)E(n,0)(n>0)存在,設(shè)直線q的方程為x=my-1,M(x1,y1),N(x2,y2),R(-2,y3),S(-2,y4).聯(lián)立消去x,得(m2+2)y2-2my-1=0,y1+y2=,y1y2=-,
x1x2=(my1-1)(my2-1)=m2y1y2-m(y1+y2)+1=--+1=,
x1+x2=m(y1+y2)-2=-2=-,
由條件知=,y3=-,
同理y4=-,
kRF==-y3,kSF=-y4.
因?yàn)椤蟁FS為直角,所以y3y4=-1,
所以(2+n)2y1y2=-[x1x2-n(x1+x2)+n2],
(2+n)2=++n2,
所以(n2-2)(m2+1)=0,n=,
故滿足條件的點(diǎn)E存在,其坐標(biāo)為(,0).

存在性問題的求解方法
(1)存在性問題通常采用“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.    
[過關(guān)訓(xùn)練]
2.(2019·福州四校聯(lián)考)已知橢圓C:+=1(a>b>0)的兩個(gè)焦點(diǎn)分別為F1,F(xiàn)2,短軸的一個(gè)端點(diǎn)為P,△PF1F2內(nèi)切圓的半徑為,設(shè)過點(diǎn)F2的直線l被橢圓C截得的線段為RS,當(dāng)l⊥x軸時(shí),|RS|=3.
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)在x軸上是否存在一點(diǎn)T,使得當(dāng)l變化時(shí),總有TS與TR所在直線關(guān)于x軸對(duì)稱?若存在,請(qǐng)求出點(diǎn)T的坐標(biāo);若不存在,請(qǐng)說明理由.
解:(1)由內(nèi)切圓的性質(zhì),
得×2c×b=×(2a+2c)×,得=.
將x=c代入+=1,得y=±,所以=3.
又a2=b2+c2,所以a=2,b=,
故橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程為+=1.
(2)當(dāng)直線l垂直于x軸時(shí),顯然x軸上任意一點(diǎn)T都滿足TS與TR所在直線關(guān)于x軸對(duì)稱.
當(dāng)直線l不垂直于x軸時(shí),假設(shè)存在T(t,0)滿足條件,設(shè)l的方程為y=k(x-1),R(x1,y1),S(x2,y2).
聯(lián)立
得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0,
由根與系數(shù)的關(guān)系得①
其中Δ>0恒成立,
由TS與TR所在直線關(guān)于x軸對(duì)稱,得kTS+kTR=0(顯然TS,TR的斜率存在),
即+=0.②
因?yàn)镽,S兩點(diǎn)在直線y=k(x-1)上,
所以y1=k(x1-1),y2=k(x2-1),代入②得

==0,
即2x1x2-(t+1)(x1+x2)+2t=0,③
將①代入③得
==0,④
則t=4,綜上所述,存在T(4,0),使得當(dāng)l變化時(shí),總有TS與TR所在直線關(guān)于x軸對(duì)稱.

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