高考数学专题练 专题六解析几何 微专题40 最值、范围问题(含答案)
展开典例1 (2023·全国甲卷)已知直线x-2y+1=0与抛物线C:y2=2px(p>0)交于A,B两点,|AB|=4eq \r(15).
(1)求p;
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(2)设F为C的焦点,M,N为C上两点,eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,求△MFN面积的最小值.
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典例2 (2023·临汾模拟)已知点F1,F2是双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P是C右支上一点,△F1F2P的周长为18,I为△F1F2P的内心,且满足 =2∶3∶4.
(1)求双曲线C的标准方程;
(2)过F2的直线l与双曲线的右支交于M,N两点,与y轴交于点Q,满足eq \(QM,\s\up6(→))=meq \(MF2,\s\up6(—→)),eq \(QN,\s\up6(→))=neq \(NF2,\s\up6(—→))(其中m>0),求eq \f(|MF2|,|NF2|)的取值范围.
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[总结提升]
解决圆锥曲线中的最值与范围问题,一般有两种方法:一是几何法,若题目的条件和结论有明显的几何特征,可考虑利用圆锥曲线的定义和图象的有关性质求解;二是代数法,先根据条件列出目标函数,然后根据函数表达式的特征选用适当的方法求出最值或值域.求解范围、最值问题的常见方法:(1)利用判别式来构造不等关系.(2)利用已知参数的范围,在两个参数之间建立函数关系.(3)利用隐含或已知的不等关系建立不等式.(4)利用基本不等式.
1.(2023·佛山模拟)双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左顶点为A,焦距为4,过右焦点F作垂直于x轴的直线交C于B,D两点,且△ABD是直角三角形.
(1)求双曲线C的方程;
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(2)M,N是C右支上的两动点,设直线AM,AN的斜率分别为k1,k2,若k1k2=-2,求点A到直线MN的距离d的取值范围.
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2.(2023·温州模拟)如图,斜率为k的直线交抛物线x2=4y于A,B两点,已知点B的横坐标比点A的横坐标大4,直线y=-kx+1交线段AB于点R,交抛物线于点P,Q.
(1)若点A的横坐标为0,求|PQ|的值;
(2)求|PR|·|QR|的最大值.
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3.(2023·厦门质检)已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的上顶点为M(0,2),右顶点为N,直线MN的斜率为-eq \f(\r(3),3),A,B,C,D是椭圆上4个点(异于点M),AB∥CD,直线MA与MB的斜率之积为-eq \f(1,3),直线MC与MD的斜率之和为1.
(1)证明:A,B关于原点对称;
(2)求直线AB与CD之间的距离的取值范围.
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微专题40 最值、范围问题
[考情分析] 圆锥曲线的综合问题是高考考查的重点内容,范围、最值问题是常见的热点题型,常以解答题的形式压轴出现,难度较大.
考点一 圆锥曲线的最值问题
典例1 (2023·全国甲卷)已知直线x-2y+1=0与抛物线C:y2=2px(p>0)交于A,B两点,|AB|=4eq \r(15).
(1)求p;
(2)设F为C的焦点,M,N为C上两点,eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,求△MFN面积的最小值.
解 (1)设A(xA,yA),B(xB,yB),
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x-2y+1=0,,y2=2px,))可得y2-4py+2p=0,
所以yA+yB=4p,yAyB=2p,
所以|AB|=eq \r(5)×eq \r(yA+yB2-4yAyB)=4eq \r(15),
即2p2-p-6=0,解得p=2(负值舍去).
(2)由(1)知y2=4x,
所以焦点F(1,0),显然直线MN的斜率不可能为零,
设直线MN:x=my+n,M(x1,y1),N(x2,y2),
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y2=4x,,x=my+n,))可得y2-4my-4n=0,
所以y1+y2=4m,y1y2=-4n,
Δ=16m2+16n>0⇒m2+n>0,
因为eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,eq \(FM,\s\up6(→))=(x1-1,y1),eq \(FN,\s\up6(→))=(x2-1,y2),
所以(x1-1)(x2-1)+y1y2=0,
即(my1+n-1)(my2+n-1)+y1y2=0,
即(m2+1)y1y2+m(n-1)(y1+y2)+(n-1)2=0,
将y1+y2=4m,y1y2=-4n代入得,4m2=n2-6n+1,
所以4(m2+n)=(n-1)2>0,
所以n≠1,且n2-6n+1≥0,
解得n≥3+2eq \r(2)或n≤3-2eq \r(2).
设点F到直线MN的距离为d,
所以d=eq \f(|n-1|,\r(1+m2)),
|MN|=eq \r(1+m2)eq \r(y1+y22-4y1y2)
=eq \r(1+m2)eq \r(16m2+16n)
=eq \r(1+m2)eq \r(4n2-6n+1+16n)
=2eq \r(1+m2)|n-1|,
所以△MFN的面积
S=eq \f(1,2)×|MN|×d=eq \f(1,2)×2eq \r(1+m2)|n-1|×eq \f(|n-1|,\r(1+m2))=(n-1)2,
而n≥3+2eq \r(2)或n≤3-2eq \r(2),
所以当n=3-2eq \r(2)时,△MFN的面积最小,为Smin=(2-2eq \r(2))2=12-8eq \r(2)=4(3-2eq \r(2)).
跟踪训练1 (2023·齐齐哈尔模拟)设椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,O为坐标原点,椭圆C的离心率为eq \f(\r(3),2).
(1)若椭圆C的上顶点为W,且△WF1F2的面积为9eq \r(3),求椭圆C的标准方程;
(2)设过椭圆C的内部点P(1,0)且斜率为keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0
可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(c,a)=\r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b,a)))2)=\f(\r(3),2),,\f(1,2)×2c×b=9\r(3),,a2=b2+c2,))
解得a=6,b=3,c=3eq \r(3),
所以椭圆C的标准方程为eq \f(x2,36)+eq \f(y2,9)=1.
(2)由椭圆C的离心率为eq \f(\r(3),2),可得eq \f(c,a)=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b,a)))2)=eq \f(\r(3),2),可得a=2b,
则椭圆C的方程为eq \f(x2,4b2)+eq \f(y2,b2)=1(b>0),
因为点P(1,0)在椭圆内,可得eq \f(1,4b2)+eq \f(0,b2)<1,解得b2>eq \f(1,4),
设M(x1,y1),N(x2,y2),直线l的方程为y=k(x-1),
联立方程组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx-1,,\f(x2,4b2)+\f(y2,b2)=1,))
整理得(1+4k2)x2-8k2x+4(k2-b2)=0,
则x1+x2=eq \f(8k2,1+4k2),y1+y2=k(x1+x2-2)=eq \f(-2k,1+4k2).
设Q(x0,y0),因为eq \(OM,\s\up6(→))+eq \(ON,\s\up6(→))=eq \(OQ,\s\up6(→)),
所以x0=eq \f(8k2,1+4k2),y0=eq \f(-2k,1+4k2),
所以Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(8k2,1+4k2),\f(-2k,1+4k2))),
将点Q坐标代入椭圆C的方程得b2=eq \f(4k2,1+4k2)=eq \f(4k2+1-1,1+4k2)=1-eq \f(1,1+4k2),
显然,随着k的增大,b在增大,
又因为0
典例2 (2023·临汾模拟)已知点F1,F2是双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P是C右支上一点,△F1F2P的周长为18,I为△F1F2P的内心,且满足=2∶3∶4.
(1)求双曲线C的标准方程;
(2)过F2的直线l与双曲线的右支交于M,N两点,与y轴交于点Q,满足eq \(QM,\s\up6(→))=meq \(MF2,\s\up6(—→)),eq \(QN,\s\up6(→))=neq \(NF2,\s\up6(—→))(其中m>0),求eq \f(|MF2|,|NF2|)的取值范围.
解 (1)设△PF1F2内切圆半径为r,
由题意得=eq \f(1,2)|PF2|·r,=eq \f(1,2)|F1F2|·r,=eq \f(1,2)|PF1|·r.
所以=|PF2|∶|F1F2|∶|PF1|=2∶3∶4,
因为△PF1F2的周长为18,
所以|PF2|=4,|PF1|=8,|F1F2|=6,
所以2a=|PF1|-|PF2|=4,2c=6,
所以a2=4,b2=c2-a2=9-4=5,
所以双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-eq \f(y2,5)=1.
(2)由题知,直线l斜率存在且不为0,可设其方程为x=ty+3(t≠0),
M(x1,y1),N(x2,y2),Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(-3,t))),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=ty+3,,\f(x2,4)-\f(y2,5)=1,))
整理得(5t2-4)y2+30ty+25=0,
因为直线l与双曲线右支交于两点,则有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y1y2=\f(25,5t2-4)<0,,Δ=30t2-1005t2-4>0,,5t2-4≠0,))
解得t2
所以eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x1,y1+\f(3,t)))=m(3-x1,-y1),
所以y1+eq \f(3,t)=m(-y1),即y1=eq \f(-3,tm+1),
同理y2=eq \f(-3,tn+1),
所以y1+y2=eq \f(-3,tm+1)+eq \f(-3,tn+1)=eq \f(-3,t)·eq \f(m+1+n+1,m+1n+1)=eq \f(-30t,5t2-4),①
y1y2=eq \f(9,t2m+1n+1)=eq \f(25,5t2-4),②
两式相除得(m+1)+(n+1)=eq \f(18,5).
因为eq \f(|MF2|,|NF2|)=-eq \f(y1,y2)=-eq \f(n+1,m+1)=-eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\f(18,5)-m+1,m+1)))=1-eq \f(18,5)·eq \f(1,m+1),
因为y1y2=eq \f(9,t2m+1n+1),
又由y1y2<0,
得eq \f(9,t2m+1n+1)<0,
即(m+1)(n+1)<0,
又因为(m+1)+(n+1)=eq \f(18,5),
则(m+1)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(18,5)-m+1))<0,
解得m<-1(舍去),或m>eq \f(13,5),
所以0
(1)求证:8k2+t2=1;
(2)若直线l与C1相交于P,Q两点,求|PQ|的取值范围.
(1)证明 由题意得,椭圆焦点坐标为(1,0),双曲线渐近线方程为bx±ay=0,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=\r(2),,\f(b,\r(b2+a2))=\f(\r(3),3),))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=\r(2),,b=1,))
所以C2的方程为eq \f(x2,2)-y2=1,
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+t,,x2-2y2=2,))
消去y得(1-2k2)x2-4ktx-2t2-2=0,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(1-2k2≠0,,Δ=16k2t2-41-2k2-2t2-2>0))
得t2>2k2-1≠0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=\f(4kt,1-2k2),,x1x2=\f(-2t2-2,1-2k2),))
所以eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=x1x2+y1y2=x1x2+(kx1+t)(kx2+t)
=(1+k2)x1x2+kt(x1+x2)+t2
=(1+k2)eq \f(-2t2-2,1-2k2)+eq \f(4k2t2,1-2k2)+t2
=-3,
化简得8k2+t2=1,得证.
(2)解 由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+t,,x2+2y2=2))消去x,
得(1+2k2)x2+4ktx+2t2-2=0,
所以Δ=16k2t2-4(1+2k2)(2t2-2)>0,
即t2<2k2+1,
结合t2>2k2-1≠0,8k2+t2=1,及k≠0,t2≥0,可得0
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x3+x4=\f(-4kt,1+2k2),,x3x4=\f(2t2-2,1+2k2),))
所以(x3-x4)2=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(-4kt,1+2k2)))2-4×eq \f(2t2-2,1+2k2)=eq \f(-8t2-2k2-1,1+2k22)=eq \f(80k2,1+2k22),
所以|PQ|2=(1+k2)(x3-x4)2=eq \f(80k21+k2,1+2k22),
设λ=1+2k2,则k2=eq \f(λ-1,2),由0
所以eq \f(1,λ2)∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(16,25),1)),
所以|PQ|2=eq \f(80·\f(λ-1,2)·\f(λ+1,2),λ2)=20eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,λ2)))∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(36,5))),
所以|PQ|的取值范围为eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(6\r(5),5))).
[总结提升]
解决圆锥曲线中的最值与范围问题,一般有两种方法:一是几何法,若题目的条件和结论有明显的几何特征,可考虑利用圆锥曲线的定义和图象的有关性质求解;二是代数法,先根据条件列出目标函数,然后根据函数表达式的特征选用适当的方法求出最值或值域.求解范围、最值问题的常见方法:(1)利用判别式来构造不等关系.(2)利用已知参数的范围,在两个参数之间建立函数关系.(3)利用隐含或已知的不等关系建立不等式.(4)利用基本不等式.
1.(2023·佛山模拟)双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左顶点为A,焦距为4,过右焦点F作垂直于x轴的直线交C于B,D两点,且△ABD是直角三角形.
(1)求双曲线C的方程;
(2)M,N是C右支上的两动点,设直线AM,AN的斜率分别为k1,k2,若k1k2=-2,求点A到直线MN的距离d的取值范围.
解 (1)依题意,∠BAD=90°,半焦距c=2,
由|AF|=|BF|,得a+c=eq \f(b2,a),得a2+2a=22-a2,
解得a=1(其中a=-2<0舍去),
所以b2=c2-a2=4-1=3,
故双曲线C的方程为x2-eq \f(y2,3)=1.
(2)显然直线MN不可能与x轴平行,故可设直线MN的方程为x=my+n,
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+n,,3x2-y2=3,))
消去x整理得(3m2-1)y2+6mny+3(n2-1)=0,
在条件eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3m2-1≠0,,Δ>0))下,设M(x1,y1),N(x2,y2),
则y1+y2=-eq \f(6mn,3m2-1),y1y2=eq \f(3n2-1,3m2-1),
由k1k2=-2,得y1y2+2(x1+1)(x2+1)=0,
即y1y2+2(my1+n+1)(my2+n+1)=0,
整理得(2m2+1)y1y2+2m(n+1)(y1+y2)+2(n+1)2=0,
则3(n2-1)(2m2+1)-12m2n(n+1)+2(n+1)2(3m2-1)=0,
化简可得n2-4n-5=0,解得n=5或n=-1(舍去),
则直线MN的方程为x-my-5=0,得d=eq \f(6,\r(m2+1)),
又M,N都在双曲线的右支上,所以y1y2<0,
故有3m2-1<0,0≤m2
2.(2023·温州模拟)如图,斜率为k的直线交抛物线x2=4y于A,B两点,已知点B的横坐标比点A的横坐标大4,直线y=-kx+1交线段AB于点R,交抛物线于点P,Q.
(1)若点A的横坐标为0,求|PQ|的值;
(2)求|PR|·|QR|的最大值.
解 (1)∵A(0,0),∴B(4,4),∴k=1.
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-x+1,,x2=4y,))得x2+4x-4=0,
设P(x1,y1),Q(x2,y2),
则x1x2=-4,x1+x2=-4,|PQ|=eq \r(1+-12)eq \r(x1+x22-4x1x2)=8.
(2)设AB的方程为y=kx+b(k≠0),代入x2=4y,得x2-4kx-4b=0,
Δ=16k2+16b>0,
设A(xA,yA),B(xB,yB),
则xAxB=-4b,xA+xB=4k,
∵xB-xA=eq \r(16k2+16b)=4,∴k2=1-b.
设R(xR,yR),
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+b,,y=-kx+1)),得xR=eq \f(1-b,2k)=eq \f(k,2),
联立得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-kx+1,,x2=4y))⇒x2+4kx-4=0,
∴x1+x2=-4k,x1x2=-4,
则|PR|·|QR|=-(1+k2)(x1-xR)(x2-xR)
=-(1+k2)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(x1x2-xRx1+x2+x\\al(2,R)))
=-(1+k2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-4+2k2+\f(k2,4)))
=-eq \f(9,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(k2-\f(7,18)))2+eq \f(625,144).
∴当k=±eq \f(\r(14),6)时,|PR|·|QR|取得最大值eq \f(625,144).
3.(2023·厦门质检)已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的上顶点为M(0,2),右顶点为N,直线MN的斜率为-eq \f(\r(3),3),A,B,C,D是椭圆上4个点(异于点M),AB∥CD,直线MA与MB的斜率之积为-eq \f(1,3),直线MC与MD的斜率之和为1.
(1)证明:A,B关于原点对称;
(2)求直线AB与CD之间的距离的取值范围.
(1)证明 由题意得b=2,-eq \f(b,a)=-eq \f(\r(3),3),则a=2eq \r(3),
故椭圆方程为eq \f(x2,12)+eq \f(y2,4)=1,
取椭圆下顶点为M′(0,-2),设A(x0,y0),则kMA·kM′A=eq \f(y0-2,x0)·eq \f(y0+2,x0)=eq \f(y\\al(2,0)-4,x\\al(2,0)),
而eq \f(x\\al(2,0),12)+eq \f(y\\al(2,0),4)=1,则eq \f(y\\al(2,0)-4,x\\al(2,0))=-eq \f(1,3)=kMA·kMB,
故kM′A=kMB,
故M′A∥MB,由椭圆关于原点中心对称,可知A,B关于原点对称.
(2)解 设直线CD的方程为y=kx+m,设C,D两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),
联立方程eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,12)+\f(y2,4)=1,,y=kx+m,))
消去y并整理得(3k2+1)x2+6kmx+3m2-12=0,
则x1+x2=-eq \f(6km,3k2+1),x1x2=eq \f(3m2-12,3k2+1),
又由kMC+kMD=1,有eq \f(y1-2,x1)+eq \f(y2-2,x2)=1,
即eq \f(kx1+m-2,x1)+eq \f(kx2+m-2,x2)=1,
整理得到2k+(m-2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,x1)+\f(1,x2)))=1,
即2k+eq \f(m-2x1+x2,x1x2)=1,
故2k-(m-2)×eq \f(6km,3m2-12)=1,可得m=4k-2,m≠0,故k≠eq \f(1,2),
又由Δ=36k2m2-4(3k2+1)(3m2-12)>0,可得0
直线AB与CD之间的距离,即原点O到CD的距离d=eq \f(|4k-2|,\r(k2+1)),
设2k-1=t,t∈(-1,0)∪(0,1)∪(1,7),则k=eq \f(t+1,2),
则d2=eq \f(4t2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(t+1,2)))2+1)=eq \f(16t2,t2+2t+5)=eq \f(16,\f(5,t2)+\f(2,t)+1)=eq \f(16,5\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)+\f(1,5)))2+\f(4,5)),
故d2∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(196,17))),即所求范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(14\r(17),17))).
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