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    高考数学第一轮复习第九章 §9.9 圆锥曲线中求值与证明问题
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    高考数学第一轮复习第九章 §9.9 圆锥曲线中求值与证明问题

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    这是一份高考数学第一轮复习第九章 §9.9 圆锥曲线中求值与证明问题,共12页。试卷主要包含了记M的轨迹为C等内容,欢迎下载使用。

    例1 (12分)(2021·新高考全国Ⅰ)在平面直角坐标系xOy中,已知点F1(-eq \r(17),0),F2(eq \r(17),0),点M满足|MF1|-|MF2|=2.记M的轨迹为C.
    (1)求C的方程; [切入点:双曲线定义]
    (2)设点T在直线x=eq \f(1,2)上,过T的两条直线分别交C于A,B两点和P,Q两点,且|TA|·|TB|=|TP|·|TQ|,求直线AB的斜率与直线PQ的斜率之和. [关键点:利用等式列式]
    教师备选
    已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的长轴长是短轴长的2倍,F是椭圆C的一个焦点,点M(0,2)且|MF|=eq \r(10).
    (1)求椭圆C的方程;
    (2)若过点M的直线l与椭圆C交于A,B两点,线段AB的中点为N,且满足|AM|=|BN|,求l的方程.
    解 (1)由题意,可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=2b,,c2+4=10,,b2+c2=a2,))
    解得a=2eq \r(2),b=eq \r(2),
    故椭圆C的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,2)=1.
    (2)根据题意可得,点A必在点B的上方,
    才有|AM|=|BN|.
    当l的斜率不存在时,|AM|=2-eq \r(2),
    |BN|=eq \r(2),|AM|≠|BN|,不合题意,故l的斜率必定存在.
    设l的方程为y=kx+2,
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,8)+\f(y2,2)=1,,y=kx+2,))
    得(1+4k2)x2+16kx+8=0,
    Δ=(16k)2-32(1+4k2)=128k2-32>0,
    即k2>eq \f(1,4).
    设A(x1,y1),B(x2,y2),
    则x1+x2=-eq \f(16k,1+4k2),x1x2=eq \f(8,1+4k2).
    设N(x0,y0),
    则x0=eq \f(x1+x2,2)=-eq \f(8k,1+4k2).
    由|AM|=|BN|可得,|AB|=|MN|,
    所以eq \r(1+k2)|x1-x2|=eq \r(1+k2)|x0-0|,
    则eq \r(x1+x22-4x1x2)=|x0|,
    即eq \f(4\r(2)\r(4k2-1),1+4k2)=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(8k,1+4k2))),
    整理得k2=eq \f(1,2)>eq \f(1,4),
    故k=±eq \f(\r(2),2),l的方程为y=±eq \f(\r(2),2)x+2.
    思维升华 求值问题即是根据条件列出对应的方程,通过解方程求解.
    跟踪训练1 已知椭圆M:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,且|F1F2|=2,P为椭圆上任意一点,且△PF1F2面积的最大值为eq \r(3).
    (1)求椭圆M的标准方程;
    (2)设A(4,0),直线y=kx+1与椭圆M交于C,D两点,若直线AC,AD均与圆x2+y2=r2(r>0)相切,求k的值.
    解 (1)当点P位于椭圆的上顶点或下顶点时面积最大,
    即()max=eq \f(1,2)·|F1F2|·b=eq \r(3),
    解得b=eq \r(3),
    又a2=b2+c2,
    ∴c=1,a=2,
    ∴椭圆M的标准方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
    (2)设C(x1,y1),D(x2,y2),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,4)+\f(y2,3)=1,,y=kx+1,))
    得(3+4k2)x2+8kx-8=0,Δ>0,
    ∴x1+x2=-eq \f(8k,3+4k2),x1x2=eq \f(-8,3+4k2),
    ∵直线AC,AD都与圆相切,
    ∴kAC+kAD=0,
    即eq \f(y1,x1-4)+eq \f(y2,x2-4)=0,
    ∴eq \f(y1x2-4y1+y2x1-4y2,x1-4x2-4)=0,
    ∴2kx1x2+(1-4k)(x1+x2)-8=0,
    即eq \f(-8,3+4k2)×2k-(1-4k)eq \f(8k,3+4k2)-8=0,
    即-24k=24,∴k=-1.
    题型二 证明问题
    例2 (2021·新高考全国Ⅱ)已知椭圆C的方程为eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0),右焦点为F(eq \r(2),0),且离心率为eq \f(\r(6),3).
    (1)求椭圆C的方程;
    (2)设M,N是椭圆C上的两点,直线MN与曲线x2+y2=b2(x>0)相切.证明:M,N,F三点共线的充要条件是|MN|=eq \r(3).
    (1)解 由题意得,
    椭圆半焦距c=eq \r(2)且e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(6),3),
    所以a=eq \r(3),
    又b2=a2-c2=1,所以椭圆方程为eq \f(x2,3)+y2=1.
    (2)证明 由(1)得,曲线为x2+y2=1(x>0),
    当直线MN的斜率不存在时,直线MN:x=1,不符合题意;
    当直线MN的斜率存在时,
    设M(x1,y1),N(x2,y2),
    必要性:
    若M,N,F三点共线,
    可设直线MN:y=k(x-eq \r(2)),
    即kx-y-eq \r(2)k=0,
    由直线MN与曲线x2+y2=1(x>0)相切可得eq \f(|\r(2)k|,\r(k2+1))=1,解得k=±1,
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=±x-\r(2),,\f(x2,3)+y2=1,))
    可得4x2-6eq \r(2)x+3=0,
    所以x1+x2=eq \f(3\r(2),2),x1·x2=eq \f(3,4),
    所以|MN|=eq \r(1+1)·eq \r(x1+x22-4x1·x2)=eq \r(3),
    所以必要性成立;
    充分性:设直线MN:y=kx+b(kb<0),
    即kx-y+b=0,
    由直线MN与曲线x2+y2=1(x>0)相切可得eq \f(|b|,\r(k2+1))=1,所以b2=k2+1,
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+b,,\f(x2,3)+y2=1,))
    可得(1+3k2)x2+6kbx+3b2-3=0,
    所以x1+x2=-eq \f(6kb,1+3k2),x1·x2=eq \f(3b2-3,1+3k2),
    所以|MN|=eq \r(1+k2)·eq \r(x1+x22-4x1·x2)=eq \r(1+k2)eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(6kb,1+3k2)))2-4·\f(3b2-3,1+3k2))
    =eq \r(1+k2)·eq \f(\r(24k2),1+3k2)=eq \r(3),
    化简得3(k2-1)2=0,所以k=±1,
    所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(k=1,,b=-\r(2)))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(k=-1,,b=\r(2),))
    所以直线MN:y=x-eq \r(2)或y=-x+eq \r(2),
    所以直线MN过点F(eq \r(2),0),M,N,F三点共线,充分性成立,所以M,N,F三点共线的充要条件是|MN|=eq \r(3).
    高考改编
    在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右焦点为F(1,0),离心率为eq \f(1,2).
    (1)求椭圆C的标准方程;
    (2)若过点F的直线l交C于A,B两点,线段AB的中点为M,分别过A,B作C的切线l1,l2,且l1与l2交于点P,证明:O,P,M三点共线.
    (1)解 由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(c=1,,\f(c,a)=\f(1,2),,a2=b2+c2,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=2,,b=\r(3),))
    ∴椭圆C的标准方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
    (2)证明 由题意知直线l的斜率不为0,设直线l的方程为x=my+1,
    A(x1,y1),B(x2,y2),M(x0,y0),P(x3,y3),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+1,,3x2+4y2=12,))
    整理得3(m2y2+2my+1)+4y2=12,
    即(3m2+4)y2+6my-9=0.
    ∴y0=eq \f(y1+y2,2)=eq \f(-3m,3m2+4),
    x0=eq \f(4,3m2+4),
    ∴kOM=-eq \f(3,4)m.
    直线l1的方程为eq \f(x1x,4)+eq \f(y1y,3)=1,①
    直线l2的方程为eq \f(x2x,4)+eq \f(y2y,3)=1,②
    ②-①⇒eq \f(y,3)(y2-y1)=eq \f(x,4)(x1-x2)
    ⇒eq \f(y,x)=eq \f(3,4)·eq \f(x1-x2,y2-y1)=-eq \f(3,4)m,
    ∴eq \f(y3,x3)=-eq \f(3,4)m=kOP,
    ∴kOM=kOP,即O,P,M三点共线.
    教师备选
    (2022·湖南师大附中模拟)已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的离心率为eq \f(\r(2),2),椭圆的短轴顶点到焦点的距离为eq \r(6).
    (1)求该椭圆C的方程;
    (2)若直线l与椭圆C交于A,B两点,且|eq \(OA,\s\up6(→))+eq \(OB,\s\up6(→))|=|eq \(OA,\s\up6(→))-eq \(OB,\s\up6(→))|,求证:直线l与某个定圆E相切,并求出定圆E的方程.
    解 (1)∵椭圆的短轴顶点到焦点的距离为eq \r(6),
    ∴eq \r(b2+c2)=a=eq \r(6),
    ∵椭圆的离心率e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(2),2),
    ∴c=eq \r(3),∴b2=a2-c2=3,
    ∴椭圆C的标准方程为eq \f(x2,6)+eq \f(y2,3)=1.
    (2)∵|eq \(OA,\s\up6(→))+eq \(OB,\s\up6(→))|=|eq \(OA,\s\up6(→))-eq \(OB,\s\up6(→))|,
    ∴eq \(OA,\s\up6(→))⊥eq \(OB,\s\up6(→)),则eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=0,
    ①当直线l的斜率不存在时,设l:x=t,
    代入椭圆方程得,y=±eq \r(\f(6-t2,2)),
    不妨令Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(t,\r(\f(6-t2,2)))),Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(t,-\r(\f(6-t2,2)))),
    由eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=0得,
    t2-3+eq \f(t2,2)=0,解得t=±eq \r(2),
    此时l:x=±eq \r(2),与圆x2+y2=2相切;
    ②当直线l的斜率存在时,
    设l:y=kx+m,A(x1,y1),B(x2,y2),
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x2+2y2=6,,y=kx+m))得,
    (1+2k2)x2+4kmx+2m2-6=0,
    则Δ=16k2m2-4(1+2k2)(2m2-6)>0,
    化简得m2<6k2+3,①
    由根与系数的关系得,x1+x2=-eq \f(4km,1+2k2),
    x1x2=eq \f(2m2-6,1+2k2),
    则y1y2=(kx1+m)(kx2+m)
    =k2x1x2+km(x1+x2)+m2=eq \f(m2-6k2,1+2k2),
    由eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=0,
    即x1x2+y1y2=0可得,
    eq \f(2m2-6,1+2k2)+eq \f(m2-6k2,1+2k2)=0,
    整理得,m2=2k2+2,满足①式,
    ∴eq \f(|m|,\r(k2+1))=eq \r(2),即原点到直线l的距离为eq \r(2),
    ∴直线l与圆x2+y2=2相切.
    综上所述,直线l与圆E:x2+y2=2相切.
    思维升华 圆锥曲线证明问题的类型及求解策略
    (1)圆锥曲线中的证明问题,主要有两类:一是证明点、直线、曲线等几何元素中的位置关系,如:某点在某直线上、某直线经过某个点、某两条直线平行或垂直等;二是证明直线与圆锥曲线中的一些数量关系(相等或不等).
    (2)解决证明问题时,主要根据直线与圆锥曲线的性质、直线与圆锥曲线的位置关系等,通过相关性质的应用、代数式的恒等变形以及必要的数值计算等进行证明.
    跟踪训练2 双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的右焦点为F,以F点为圆心,a为半径的圆与C的渐近线相切.
    (1)求C的离心率;
    (2)已知点Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2)a,0)),过F点的直线与C的右支交于M,N两点,证明:F点到AM,AN的距离相等.
    (1)解 双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的渐近线方程为bx±ay=0,
    令点F(c,0),则c2=a2+b2,
    因为以F点为圆心,a为半径的圆与C的渐近线相切,
    则eq \f(bc,\r(a2+b2))=a,
    整理得b=a,c=eq \r(2)a,
    所以双曲线C的离心率为e=eq \f(c,a)=eq \r(2).
    (2)证明 由(1)知,双曲线C的方程为2x2-2y2=c2,点Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)c,0)),显然直线MN不垂直于y轴,设直线MN:x=my+c,
    因为直线MN与双曲线右支交于两点,则直线MN与双曲线的两条渐近线x±y=0在y轴右侧都相交,于是得-1由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+c,,2x2-2y2=c2))消去x得2(m2-1)y2+4cmy+c2=0,
    设M(x1,y1),N(x2,y2),
    则y1+y2=-eq \f(2cm,m2-1),y1y2=eq \f(c2,2m2-1),
    直线AM的斜率kAM=eq \f(y1,x1-\f(1,2)c)=eq \f(y1,my1+c-\f(1,2)c)=eq \f(2y1,2my1+c),
    同理,直线AN的斜率kAN=eq \f(2y2,2my2+c),
    于是得kAM+kAN=eq \f(2y1,2my1+c)+eq \f(2y2,2my2+c)
    =eq \f(8my1y2+2cy1+y2,2my1+c2my2+c)
    =eq \f(8m·\f(c2,2m2-1)+2c\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(2cm,m2-1))),2my1+c2my2+c)=0,
    因此,直线AM与AN的倾斜角互补,则直线AM与AN关于x轴对称,而点F在x轴上,
    所以点F到直线AM与AN的距离相等.
    课时精练
    1.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的准线与x轴的交点为A(-1,0).
    (1)求C的方程;
    (2)若过点M(2,0)的直线l与抛物线C交于P,Q两点.求证:eq \f(1,|PM|2)+eq \f(1,|QM|2)为定值.
    (1)解 由题意,可得-eq \f(p,2)=-1,即p=2,
    ∴抛物线C的方程为y2=4x.
    (2)证明 设直线l的方程为x=my+2,
    P(x1,y1),Q(x2,y2),
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+2,,y2=4x,))
    消去x得y2-4my-8=0,
    则Δ=16(m2+2)>0,
    ∴y1+y2=4m,y1y2=-8,
    又|PM|=eq \r(1+m2)|y1|,
    |QM|=eq \r(1+m2)|y2|.
    ∴eq \f(1,|PM|2)+eq \f(1,|QM|2)=eq \f(1,1+m2y\\al(2,1))+eq \f(1,1+m2y\\al(2,2))
    =eq \f(y\\al(2,1)+y\\al(2,2),1+m2y\\al(2,1)y\\al(2,2))
    =eq \f(16m2+16,641+m2)
    =eq \f(1+m2,41+m2)=eq \f(1,4).
    ∴eq \f(1,|PM|2)+eq \f(1,|QM|2)为定值.
    2.设椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左焦点为F,上顶点为B.已知椭圆的短轴长为4,离心率为eq \f(\r(5),5).
    (1)求椭圆的方程;
    (2)设点P在椭圆上,且异于椭圆的上、下顶点,点M为直线PB与x轴的交点,点N在y轴的负半轴上.若|ON|=|OF|(O为原点),且OP⊥MN,求直线PB的斜率.
    解 (1)设椭圆的半焦距为c,
    依题意,2b=4,eq \f(c,a)=eq \f(\r(5),5),
    又a2=b2+c2,可得a=eq \r(5),b=2,c=1.
    所以椭圆的方程为eq \f(x2,5)+eq \f(y2,4)=1.
    (2)由题意,设P(xP,yP)(xP≠0),M(xM,0).
    设直线PB的斜率为k(k≠0),
    又B(0,2),则直线PB的方程为y=kx+2,
    与椭圆方程联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+2,,\f(x2,5)+\f(y2,4)=1,))
    整理得(4+5k2)x2+20kx=0,
    可得xP=-eq \f(20k,4+5k2),
    代入y=kx+2得yP=eq \f(8-10k2,4+5k2),
    所以直线OP的斜率eq \f(yP,xP)=eq \f(4-5k2,-10k).
    在y=kx+2中,令y=0,得xM=-eq \f(2,k).
    由题意得N(0,-1),
    所以直线MN的斜率为-eq \f(k,2).
    由OP⊥MN,得eq \f(4-5k2,-10k)·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(k,2)))=-1,
    化简得k2=eq \f(24,5),从而k=±eq \f(2\r(30),5).
    所以直线PB的斜率为eq \f(2\r(30),5)或-eq \f(2\r(30),5).
    3.(2022·莆田质检)曲线C上任意一点P到点F(2,0)的距离与它到直线x=4的距离之比等于eq \f(\r(2),2),过点M(4,0)且与x轴不重合的直线l与C交于不同的两点A,B.
    (1)求C的方程;
    (2)求证:△ABF内切圆的圆心在定直线上.
    (1)解 设P(x,y),由题意,
    eq \f(\r(x-22+y2),|x-4|)=eq \f(\r(2),2)⇒(x-2)2+y2
    =eq \f(1,2)(x-4)2,
    化简得eq \f(x2,8)+eq \f(y2,4)=1,
    即C的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,4)=1.
    (2)证明 设直线l:x=my+4,A(x1,y1),
    B(x2,y2),
    将l代入C得(m2+2)y2+8my+8=0,
    ∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(Δ=64m2-32m2+2>0⇒m2>2,,y1+y2=-\f(8m,m2+2),,y1·y2=\f(8,m2+2).))
    设直线AF与BF的斜率分别为k1,k2,
    则k1+k2=eq \f(y1,x1-2)+eq \f(y2,x2-2)
    =eq \f(y1,my1+2)+eq \f(y2,my2+2)
    =eq \f(2my1y2+2y1+y2,my1+2my2+2)
    =eq \f(2m·\f(8,m2+2)+2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(8m,m2+2))),my1+2my2+2)=0.
    ∴k1=-k2,则∠BFM=π-∠AFM,
    ∴直线x=2平分∠AFB,而三角形内心在∠AFB的角平分线上,
    ∴△ABF内切圆的圆心在定直线x=2上.
    4.(2022·深圳光明区模拟)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-y2=1(a>0)的左、右焦点分别为F1,F2,E(0,1),过焦点F2,且斜率为eq \f(1,6)的直线与C的两条渐近线分别交于A,B两点,且满足eq \(AF1,\s\up6(→))=2eq \(BO,\s\up6(→)).
    (1)求C的方程;
    (2)过点Deq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(3,2),0))且斜率不为0的直线l交C于M,N两点,且|EM|=|EN|,求直线l的方程.
    解 (1)双曲线C的渐近线方程为y=±eq \f(1,a)x,
    过F2(c,0),且斜率为eq \f(1,6)的直线方程为
    y=eq \f(1,6)(x-c),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=\f(1,a)x,,y=\f(1,6)x-c))得Aeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(ac,a-6),\f(c,a-6))),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-\f(1,a)x,,y=\f(1,6)x-c))得Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(ac,a+6),\f(-c,a+6))),
    由于eq \(AF1,\s\up6(—→))=2eq \(BO,\s\up6(→)),
    即eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-c-\f(ac,a-6),-\f(c,a-6)))=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(-2ac,a+6),\f(2c,a+6))),
    所以-eq \f(c,a-6)=eq \f(2c,a+6),解得a=2.
    所以双曲线C的方程为eq \f(x2,4)-y2=1.
    (2)设l:y=keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(3,2)))(k≠0),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=k\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(3,2))),,\f(x2,4)-y2=1,))
    消去y并化简得
    (1-4k2)x2-12k2x-9k2-4=0,
    Δ=144k4+4(1-4k2)(9k2+4)=16-28k2>0,k2设M(x1,y1),N(x2,y2),
    则x1+x2=eq \f(12k2,1-4k2),
    y1+y2=k(x1+x2+3)=keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(12k2,1-4k2)+3))
    =eq \f(3k,1-4k2),
    所以M,N的中点G的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(6k2,1-4k2),\f(\f(3,2)k,1-4k2))),
    由于|EM|=|EN|,
    所以EG⊥MN,kEG·kMN=-1,
    eq \f(\f(\f(3,2)k,1-4k2)-1,\f(6k2,1-4k2)-0)·k=-1,
    化简得8k2+15k-2=0,
    (k+2)(8k-1)=0,
    解得k=-2或k=eq \f(1,8),
    由于k2所以k=eq \f(1,8),
    所以直线l的方程为y=eq \f(1,8)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x+\f(3,2))).
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