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山东高考数学一轮总复习教学案设计参考-解答题专项突破(五)圆锥曲线综合问题含答案解析

2022-05-31 10:38:57教学文档

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山东高考数学一轮总复习教学案设计参考-解答题专项突破(五)圆锥曲线综合问题含答案解析

  解答题专项突破( 五) 圆锥曲线的综合问题 圆锥曲线是平面解析几何的核心内容,每年高考必有一道解答题,常以求圆锥曲线的标准方程、研究直线与圆锥曲线的位置关系为主,涉及题型有定点、定值、最值、范围、探索性问题等,此类命题起点较低,但在第(2)问中一般都有较为复杂的运算,对考生解决问题的能力要求较高,通常以压轴题的形式呈现. 热点题型 1 圆锥曲线中的定点问题 典例 1 (2019·广州二模)已知抛物线 y 2 =4x 的焦点 F 与椭圆 C:

  x2a 2 +y 2b 2 =1(a>b>0)的一个焦点重合,且点 F 关于直线 y=x 的对称点在椭圆上. (1)求椭圆 C 的标准方程; (2)过点 Q0,- 13 且斜率为 k 的动直线 l 交椭圆于 A,B 两点,在 y 轴上是否存在定点 M,使以 AB 为直径的圆恒过这个点?若存在,求出 M 点的坐标,若不存在,说明理由. 解题思路 (1)求出抛物线的焦点 F 关于直线 y=x 的对称点,结合已知条件及a,b,c 的关系,求解椭圆的标准方程. (2)假设存在定点 M,使以 AB 为直径的圆恒过这个点,求出 AB 垂直于两坐标轴时以 AB 为直径的圆的方程,联立方程组解得定点坐标,然后利用向量数量积证明一般结论. 规范解答 (1)由抛物线 y 2 =4x,得其焦点为 F(1,0),从而得点 F 关于直线 y=x 的对称点为(0,1),故 b=1,c=1,因此 a= 2, ∴椭圆 C 的标准方程为 x22 +y2 =1. (2)假设存在定点 M,使以 AB 为直径的圆恒过这个点. 当 AB⊥x 轴时, 以 AB 为直径的圆的方程为 x 2 +y 2 =1. ① 当 AB⊥y 轴时, 以 AB 为直径的圆的方程为 x 2 +y+ 132 = 169. ② 联立①②,得 ? ?? x=0,y=1,∴定点 M(0,1).

  证明:设直线 l:y=kx- 13 ,代入x 22 +y2 =1, 有(2k 2 +1)x 2 - 43 kx-169=0. 设 A(x 1 ,y 1 ),B(x 2 ,y 2 ), x 1 +x 2 =4k3?2k 2 +1? ,x 1 x 2 =-169?2k 2 +1? . 则MA→=(x 1 ,y 1 -1),MB→=(x 2 ,y 2 -1); MA→·MB→=x 1 x 2 +kx 1 - 43 kx 2 -43 =(1+k 2 )x 1 x 2 - 43 k(x 1 +x 2 )+169 =(1+k 2 )·-169?2k 2 +1? -43 k·4k3?2k 2 +1? +169=0, 所以在 y 轴上存在定点 M(0,1),使以 AB 为直径的圆恒过这个定点. 典例 2 (2019·北京高考)已知椭圆 C:

  x2a 2 +y 2b 2 =1 的右焦点为(1,0),且经过点 A(0,1). (1)求椭圆 C 的方程; (2)设 O 为原点,直线 l:y=kx+t(t≠±1)与椭圆 C 交于两个不同点 P,Q,直线 AP 与 x 轴交于点 M,直线 AQ 与 x 轴交于点 N.若|OM|·|ON|=2,求证:直线 l经过定点. 解题思路 (1)由已知条件直接求 b,c.再依据 a 2 =b 2 +c 2 求 a,写出椭圆 C 的方程. (2)设 P(x 1 ,y 1 ),Q(x 2 ,y 2 ),写出直线 AP 的方程,求 x M .利用 y 1 =kx 1 +t 和|OM|=|x M |,把|OM|用 k,t,x 1 表示,同理表示|ON|,直线 l 与椭圆 C 的方程联立,推出 x 1 +x 2 ,x 1 x 2 .利用|OM|·|ON|=2,求 t,从而得到定点. 规范解答 (1)由题意,得 b 2 =1,c=1, 所以 a 2 =b 2 +c 2 =2. 所以椭圆 C 的方程为 x22 +y2 =1. (2)证明:设 P(x 1 ,y 1 ),Q(x 2 ,y 2 ),

  则直线 AP 的方程为 y= y1 -1x 1x+1. 令 y=0,得点 M 的横坐标 x M =-x 1y 1 -1 . 又 y 1 =kx 1 +t,从而|OM|=|x M |= ? ?????x 1kx 1 +t-1. 同理,|ON|= ? ?????x 2kx 2 +t-1. 由????? y=kx+t,x 22 +y2 =1,得(1+2k 2 )x 2 +4ktx+2t 2 -2=0, 则 x 1 +x 2 =-4kt1+2k 2 ,x 1 x 2 =2t 2 -21+2k 2 . 所以|OM|·|ON|= ? ?????x 1kx 1 +t-1·??????x 2kx 2 +t-1 = ? ?????x 1 x 2k 2 x 1 x 2 +k?t-1??x 1 +x 2 ?+?t-1? 2 =????????2t 2 -21+2k 2k 2 ·2t 2 -21+2k 2 +k?t-1?· ??????-4kt1+2k 2+?t-1? 2 =2 ? ????? 1+t1-t. 又|OM|·|ON|=2,所以 2 ? ????? 1+t1-t=2. 解得 t=0,所以直线 l 经过定点(0,0). 热点题型 2 圆锥曲线中的定值问题 典例 1 (2019·全国卷Ⅰ)已知点 A,B 关于坐标原点 O 对称,|AB|=4,⊙M过点 A,B 且与直线 x+2=0 相切. (1)若 A 在直线 x+y=0 上,求⊙M 的半径; (2)是否存在定点 P,使得当 A 运动时,|MA|-|MP|为定值?并说明理由. 解题思路 (1)由点 A,B 关于坐标原点 O 对称和点 A 在直线 x+y=0 上知,点 A,B 都在直线 x+y=0 上,于是得点 M 在线段 AB 的垂直平分线,即 y=x 上,设圆心 M 为(a,a).根据⊙M 与直线 x=-2 相切和MO→⊥AO→,求 a 从而得到⊙M

  的半径. (2)联系第(1)问求圆心 M 坐标的方法.找等量关系,求出 M 的轨迹方程,进而利用相应曲线的性质求|MA|,|MP|,判断|MA|-|MP|是否为定值. 规范解答 (1)因为⊙M 过点 A,B,所以圆心 M 在 AB 的垂直平分线上.由已知 A 在直线 x+y=0 上,且 A,B 关于坐标原点 O 对称,所以 M 在直线 y=x 上,故可设圆心 M 为(a,a). 因为⊙M 与直线 x+2=0 相切, 所以⊙M 的半径为 r=|a+2|. 由已知得|AO|=2.又MO→⊥AO→, 故可得 2a 2 +4=(a+2) 2 , 解得 a=0 或 a=4. 故⊙M 的半径 r=2 或 r=6. (2)存在定点 P(1,0),使得|MA|-|MP|为定值. 理由如下:

  设圆心 M 为(x,y),由已知,得⊙M 的半径为 r=|x+2|,|AO|=2. 由于MO→⊥AO→,故可得 x 2 +y 2 +4=(x+2) 2 ,化简得 M 的轨迹方程为 y 2 =4x. 因为曲线 C:y 2 =4x 是以点 P(1,0)为焦点,以直线 x=-1 为准线的抛物线,所以|MP|=x+1. 因为|MA|-|MP|=r-|MP|=x+2-(x+1)=1, 所以存在满足条件的定点 P(1,0). 典例 2 (2019·青岛三模)已知 O 为坐标原点,点 F 1 ,F 2 为椭圆 M:x 2a 2 +y 2b 2 =1(a>b>0)的左、右焦点,G 为椭圆 M 上的一个动点,△GF 1 F 2 的最大面积为 3,椭圆 M 的离心率为 12 . (1)求椭圆 M 的标准方程; (2)过抛物线 N:x 2 = 4 33y 上的一点 P 与抛物线 N 相切的直线 l 与椭圆 M 相交于 A,B 两点,设 AB 的中点为 C,直线 OP 与直线 OC 的斜率分别是 k 1 ,k 2 ,证明:k 1 k 2 为定值.

  解题思路 (1)根据题意,列方程组,结合 a,b,c 的关系即可求得 a 和 b 的值,进而求得椭圆方程. (2)通过求导求得直线 AB 的方程,代入椭圆方程,利用根与系数的关系及中点坐标公式,即可求得 k 1 k 2 为定值. 规范解答 (1)因为△GF 1 F 2 的最大面积为 3,椭圆 M 的离心率为 12 . 所以????? 12 ×2c×b= 3,ca =12 ,又因为 a 2 =b 2 +c 2 ,所以 a=2,b= 3,所以椭圆 M的标准方程为 x24 +y 23 =1. (2)证明:设 Pt,3t 24,A(x 1 ,y 1 ),B(x 2 ,y 2 ), 因为抛物线方程 N:y=34x 2 , 对其求导得 y′=32x, 则直线 AB 的方程为 y=32t(x-t)+34t 2 =3t2x-34t 2 , 将直线 AB 的方程代入椭圆方程 x24 +y 23 =1, 可得 12(1+t 2 )x 2 -12t 3 x+3t 4 -48=0, 因为 x 1 +x 2 =t 31+t 2 ,y 1 +y 2 =3t2(x 1 +x 2 )-3t 22=- 3t 22?1+t 2 ? , 所以点 Ct 32?1+t 2 ? ,-3t 24?1+t 2 ? , 所以 k 1 =3t4,k 2 =-32t,所以 k 1 k 2 =- 38 . 热点题型 3 圆锥曲线中的证明问题 典例 1 已知抛物线 C:x 2 =2py(p>0),过焦点 F 的直线交 C 于 A,B 两点,D 是抛物线的准线 l 与 y 轴的交点. (1)若 AB∥l,且△ABD 的面积为 1,求抛物线的方程;

  (2)设 M 为 AB 的中点,过 M 作 l 的垂线,垂足为 N.证明:直线 AN 与抛物线相切. 解题思路 (1)判断△ABD 的形状,求|FD|,|AB|.由△ABD 的面积为 1,列方程求 p,得抛物线的方程. (2)将直线 AB 的方程与抛物线 C 的方程联立,消去 y 并整理,结合根与系数的关系用 k,p 表示 M,N 的坐标.求 k AN :①斜率公式,②导数的几何意义,两个角度求斜率相等,证明相切. 规范解答 (1)∵AB∥l,∴△ABD 为等腰三角形,且 FD⊥AB,又|FD|=p,|AB|=2p. ∴S △ ABD =p 2 =1. ∴p=1,故抛物线 C 的方程为 x 2 =2y. (2)证明:显然直线 AB 的斜率存在,设其方程为 y=kx+ p2 ,A ??????x 1 , x212p,B ? ?????x 2 , x222p. 由????? y=kx+ p2 ,x 2 =2py消去 y 整理得,x 2 -2kpx-p 2 =0. ∴x 1 +x 2 =2kp,x 1 x 2 =-p 2 . ∴M ? ?????kp,k 2 p+ p2,N ? ?????kp,- p2. ∴k AN =x 2 12p +p2x 1 -kp =x 2 12p +p2x 1 - x1 +x 22 =x 2 1 +p 22px 1 -x 22=x 2 1 -x 1 x 22px 1 -x 22= x1p . 又 x 2 =2py,∴y′= xp . ∴抛物线 x 2 =2py 在点 A 处的切线的斜率 k′= x1p . ∴直线 AN 与抛物线相切.

  典例 2 (2019·福州三模)已知椭圆 C:

  x2a 2 +y 2b 2 =1(a>b>0)的左焦点为 F(-1,0),过 F 且垂直于 x 轴的直线被椭圆截得的弦长为 3. (1)求椭圆 C 的方程; (2)已知点 M(-4,0),过 F 作直线 l 交椭圆于 A,B 两点,证明:∠FMA=∠FMB. 解题思路 (1)根据焦点坐标求 c,由点-c, b2a在椭圆上和过 F 且垂直于 x 轴的弦长为 3,列出关于 a,b 的方程,结合 a 2 =b 2 +c 2 求出 a,b,得出椭圆的方程. (2)先讨论直线 l 斜率不存在的情况,再讨论直线 l 斜率存在的情况.设直线 l的斜率为 k,列出直线 l 的方程,并与椭圆方程联立,消元得到关于 x 的方程.根据根与系数的关系计算出 k AM +k BM =0,从而得出结论. 规范解答 (1)由题意,知 c=1,把 x=-1 代入椭圆方程,得1a 2 +y 2b 2 =1,解得 y=±b 2a, ∴ b2a= 32 ,又 a2 =b 2 +1,得 a=2,b= 3, ∴椭圆的方程为 x24 +y 23 =1. (2)证明:当直线 l 斜率不存在时,由对称性知 ∠FMA=∠FMB; 当直线 l 斜率存在时,设直线 l 的方程为 y=k(x+1), 代入椭圆方程,得(3+4k 2 )x 2 +8k 2 x+4k 2 -12=0, 设 A(x 1 ,y 1 ),B(x 2 ,y 2 ), 则 x 1 +x 2 =-8k 23+4k 2 ,x 1 x 2 =4k 2 -123+4k 2, ∴k AM +k BM =y 1x 1 +4 +y 2x 2 +4 = k?x1 +1??x 2 +4?+k?x 2 +1??x 1 +4??x 1 +4??x 2 +4? = k[2x1 x 2 +5?x 1 +x 2 ?+8]?x 1 +4??x 2 +4?,

  ∵2x 1 x 2 +5(x 1 +x 2 )+8= 8k2 -243+4k 2-40k 23+4k 2 +8=0, ∴k AM +k BM =0,∴∠FMA=∠FMB. 综上,∠FMA=∠FMB. 热点题型 4 圆锥曲线中的最值与范围问题 典例 1 (2019·包头二模)设 F 为抛物线 C:y 2 =2px 的焦点,A 是 C 上一点,FA 的延长线交 y 轴于点 B,A 为 FB 的中点,且|FB|=3. (1)求抛物线 C 的方程; (2)过 F 作两条互相垂直的直线 l 1 ,l 2 ,直线 l 1 与 C 交于 M,N 两点,直线 l 2与 C 交于 D,E 两点,求四边形 MDNE 面积的最小值. 解题思路 (1)由题意画出图形,结合已知条件列式求得 p,则抛物线 C 的方程可求. (2)由已知直线 l 1 的斜率存在且不为 0,设其方程为 y=k(x-1),与抛物线方程联立,求出|MN|,同理可求|DE|实际上,在|MN|的表达式中用- 1k 代替 k 即可,可得四边形 MDNE 的面积表达式,再利用基本不等式求最值. 规范解答 (1)如图,∵A 为 FB 的中点,∴A 到 y 轴的距离为 p4 , ∴|AF|= p4 +p2 =3p4= |FB|2= 32 ,解得 p=2. ∴抛物线 C 的方程为 y 2 =4x. (2)由已知直线 l 1 的斜率存在且不为 0,设其方程为 y=k(x-1). 由 ? ?? y=k?x-1?,y 2 =4x,得 k 2 x 2 -(2k 2 +4)x+k 2 =0. ∵Δ>0,设 M(x 1 ,y 1 ),N(x 2 ,y 2 ),∴x 1 +x 2 =2+4k 2 ,则|MN|=x 1 +x 2 +2=41+1k 2 ;同理设 D(x 3 ,y 3 ),E(x 4 ,y 4 ),∴x 3 +x 4 =2+4k2 ,则|DE|=x 3 +x 4 +2=4(1+k 2 ).∴

  四边形 MDNE 的面积 S= 12 |MN|·|DE|=82+k2 + 1k 2 ≥32.当且仅当 k=±1 时,四边形MDNE 的面积取得最小值 32. 典例 2 如图,椭圆 C:

  x2a 2 +y 2b 2 =1(a>b>0)的右顶点为 A(2,0),左、右焦点分别为 F 1 ,F 2 ,过点 A 且斜率为 12 的直线与 y 轴交于点 P,与椭圆交于另一个点 B,且点 B 在 x 轴上的射影恰好为点 F 1 . (1)求椭圆 C 的标准方程; (2)过点 P 且斜率大于 12 的直线与椭圆交于 M,N 两点(|PM|>|PN|),若 S △ PAM ∶S△ PBN =λ,求实数 λ 的取值范围. 解题思路 (1)求点 B 的坐标→根据 k AB = 12 列方程→由题意得 a=2,a2 =b 2 +c 2 ,解方程组求 a,b,c,写出椭圆 C 的标准方程. (2)S △ PAM ∶S △ PBN =λ ――→面积公式 PM →与PN→ 的关系→点 M,N 坐标之间的关系→直线MN 的方程与椭圆 C 的方程联立,消去 y 整理→用根与系数的关系得出点 M,N 的坐标之间的关系式→推出 λ 与 k 的关系,并根据 k> 12 求范围,找到 λ 所满足的不等式,求出 λ 的取值范围. 规范解答 (1)因为 BF 1 ⊥x 轴,所以点 B ? ?????-c,- b2a, 所以????? a=2,b 2a?a+c? =12 ,a 2 =b 2 +c 2???? a=2,b= 3,c=1, 所以椭圆 C 的标准方程是 x24 +y 23 =1.

  (2)因为 S△ PAMS △ PBN =12 |PA|·|PM|·sin∠APM12 |PB|·|PN|·sin∠BPN = 2·|PM|1·|PN| =λ?|PM||PN| =λ2 (λ>2), 所以PM→=- λ2 PN→ . 由(1)可知 P(0,-1),设直线 MN:y=kx-1 ? ?????k> 12,M(x 1 ,y 1 ),N(x 2 ,y 2 ), 联立方程,得????? y=kx-1,x 24 +y 23 =1,化简得,(4k 2 +3)x 2 -8kx-8=0. 得????? x 1 +x 2 =8k4k 2 +3 ,x 1 x 2 =-84k 2 +3 .(*) 又PM→=(x 1 ,y 1 +1),PN→ =(x 2 ,y 2 +1), 有 x 1 =- λ2 x 2 , 将 x 1 =- λ2 x 2代入(*)可得, ?2-λ?2λ=16k 24k 2 +3 . 因为 k> 12 ,所以16k 24k 2 +3 =163k 2 +4∈(1,4), 则 1< ?2-λ?2λ<4 且 λ>2?4<λ<4+2 3. 综上所述,实数 λ 的取值范围为(4,4+2 3). 热点题型 5 圆锥曲线中的探索性问题 典例 1 (2019·巢湖一模)已知抛物线 E:y 2 =4x,圆 C:(x-3) 2 +y 2 =1. (1)若过抛物线 E 的焦点 F 的直线 l 与圆 C 相切,求直线 l 的方程; (2)在(1)的条件下,若直线 l 交抛物线 E 于 A,B 两点,x 轴上是否存在点 M(t,0)使∠AMO=∠BMO(O 为坐标原点)?若存在,求出点 M 的坐标;若不存在,请说明理由. 解题思路 (1)求得抛物线的焦点,设出直线 l 的方程,运用直线 l 和圆 C 相切

  的条件:d=r,解方程可得所求直线方程. (2)设出 A,B 的坐标,联立直线 l 的方程和抛物线 E 的方程,运用根与系数的关系和直线的斜率公式,依据∠AMO=∠BMO,即 k AM +k BM =0 列方程化简整理,解方程可得 t,即得点 M 的坐标,从而得到结论. 规范解答 (1)由题意,得抛物线的焦点 F(1,0),当直线 l 的斜率不存在时,过F 的直线不可能与圆 C 相切, 所以直线 l 的斜率存在.设直线 l 的斜率为 k,方程为 y=k(x-1),即 kx-y-k=0, 由圆心(3,0)到直线 l 的距离为 d=|3k-k|1+k 2 =2|k|1+k 2 , 当直线 l 与圆 C 相切时,d=r=1,解得 k=±33, 即直线 l 的方程为 y=±33(x-1). (2)由(1),当直线 l 的方程为 y=33(x-1)时, 设 A(x 1 ,y 1 ),B(x 2 ,y 2 ), 联立抛物线 E 的方程可得 x 2 -14x+1=0, 则 x 1 +x 2 =14,x 1 x 2 =1, x 轴上假设存在点 M(t,0)使∠AMO=∠BMO, 即有 k AM +k BM =0, 得y 1x 1 -t +y 2x 2 -t =0, 即 y 1 (x 2 -t)+y 2 (x 1 -t)=0, 由 y 1 =33(x 1 -1),y 2 =33(x 2 -1), 可得 2x 1 x 2 -(x 1 +x 2 )-(x 1 +x 2 -2)t=0, 即 2-14-12t=0,即 t=-1,M(-1,0)符合题意; 当直线 l 的方程为 y=-33(x-1)时,由对称性可得 M(-1,0)也符合条件. 所以存在定点 M(-1,0)使∠AMO=∠BMO.

  典例 2 (2019·汕头模拟)已知点 A(0,-1),B(0,1),P 为椭圆 C:

  x22 +y2 =1上异于点 A,B 的任意一点. (1)求证:直线 PA,PB 的斜率之积为- 12 ; (2)是否存在过点 Q(-2,0)的直线 l 与椭圆 C 交于不同的两点 M,N,使得|BM|=|BN|?若存在,求出直线 l 的方程;若不存在,请说明理由. 解题思路 (1)设点 P(x,y)(x≠0),代入椭圆方程,由直线的斜率公式,即可得证. (2)假设存在直线 l 满足题意.显然当直线斜率不存在时,直线与椭圆 C 不相交,讨论直线的斜率是否为 0,联立直线方程和椭圆方程,运用根与系数的关系和两直线垂直的条件:由|BM|=|BN|想到在△BMN 中,边 MN 所在直线的斜率与 MN边上的中线所在直线的斜率之积为-1,可得所求直线方程. 规范解答 (1)证明:设点 P(x,y)(x≠0), 则 x22 +y2 =1,即 y 2 =1- x22 , ∴k PA ·k PB = y+1x·y-1x= y2 -1x 2 =1- x22 -1x 2=- 12 ,故得证. (2)假设存在直线 l 满足题意.显然当直线斜率不存在时,直线与椭圆 C 不相交. ①当直线 l 的斜率 k≠0 时,设直线 l 为 y=k(x+2), 联立椭圆方程 x 2 +2y 2 =2,化简得(1+2k 2 )x 2 +8k 2 x+8k 2 -2=0, 由 Δ=64k 4 -4(1+2k 2 )(8k 2 -2)>0, 解得-22

  ∴y 1 +y 2 =k(x 1 +x 2 )+4k=k·-8k 21+2k 2 +4k=4k1+2k 2 , 取 MN 的中点 H,即 H x1 +x 22, y1 +y 22, 则y 1 +y 22-1x 1 +x 22·k=-1, 即2k1+2k 2 -1-4k 21+2k 2·k=-1, 化简得 2k 2 +2k+1=0,无实数解,故舍去. ②当 k=0 时,M,N 为椭圆 C 的左、右顶点,显然满足|BM|=|BN|, 此时直线 l 的方程为 y=0. 综上可知,存在直线 l 满足题意,此时直线 l 的方程为 y=0.

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