2024年高二数学暑期培优讲义 第11讲 圆锥曲线中定点与定值问题(2份打包,原卷版+教师版)
展开例1 已知椭圆C1:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0),其短轴长为2eq \r(3),离心率为e1,双曲线C2:eq \f(x2,p)﹣eq \f(y2,q)=1(p>0,q>0)的渐近线为y=±eq \r(3)x,离心率为e2,且e1·e2=1.
(1)求椭圆C1的方程;
(2)设椭圆C1的右焦点为F,动直线l(l不垂直于坐标轴)交椭圆C1于M,N不同的两点,设直线FM和FN的斜率为k1,k2,若k1=﹣k2,试探究该动直线l是否过x轴上的定点,若是,求出该定点;若不是,请说明理由.
解 (1)由题意知,椭圆C1:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0),
其短轴长为2eq \r(3),可得b=eq \r(3),椭圆的离心率为e1,
双曲线C2:eq \f(x2,p)﹣eq \f(y2,q)=1(p>0,q>0)的渐近线为y=±eq \r(3)x,
即eq \r(\f(q,p))=eq \r(3),即eq \f(q,p)=3,所以离心率为e2=eq \r(\f(p+q,p))=eq \r(1+\f(q,p))=2,
且e1·e2=1.所以e1=eq \f(1,2)=eq \f(c,a)=eq \r(\f(a2-b2,a2))=eq \r(1-\f(3,a2)),解得a=2,
所以椭圆C1的方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
(2)假设该直线过定点(t,0),设直线l的方程为y=k(x﹣t)(k≠0),
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx-t,,\f(x2,4)+\f(y2,3)=1,))消去y,整理得(3+4k2)x2﹣8k2tx+4k2t2﹣12=0,
设M(x1,y1),N(x2,y2),则x1+x2=eq \f(8k2t,3+4k2),x1x2=eq \f(4k2t2-12,3+4k2),Δ>0⇒48(k2t2﹣3﹣4k2)<0,
k1+k2=eq \f(y1,x1-1)+eq \f(y2,x2-1)=eq \f(kx1-t,x1-1)+eq \f(kx2-t,x2-1)=k·eq \f(x1-tx2-1+x2-tx1-1,x1-1x2-1)
=k·eq \f(2x1x2-t+1x1+x2+2t,x1x2-x1+x2+1)=0,
所以2x1x2﹣(t+1)(x1+x2)+2t=0,
即2·eq \f(4k2t2-12,3+4k2)﹣(t+1)·eq \f(8k2t,3+4k2)+2t=eq \f(8k2t2-24-8k2t2-8k2t+6t+8k2t,3+4k2)=0,所以﹣24+6t=0,
解得t=4,即直线过定点(4,0).
教师备选
在平面直角坐标系中,已知动点M(x,y)(y≥0)到定点F(0,1)的距离比到x轴的距离大1.
(1)求动点M的轨迹C的方程;
(2)过点N(4,4)作斜率为k1,k2的直线分别交曲线C于不同于N的A,B两点,且eq \f(1,k1)+eq \f(1,k2)=1.证明:直线AB恒过定点.
(1)解 由题意可知eq \r(x2+y-12)=y+1,化简可得曲线C:x2=4y.
(2)证明 由题意可知,N(4,4)是曲线C:x2=4y上的点,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则lNA:y=k1(x﹣4)+4,lNB:y=k2(x﹣4)+4,
联立直线NA的方程与抛物线C的方程,
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=k1x-4+4,,x2=4y))⇒x2﹣4k1x+16(k1﹣1)=0,解得x1=4(k1﹣1),①
同理可得x2=4(k2﹣1),②
而lAB:y﹣eq \f(x\\al(2,1),4)=eq \f(x1+x2,4)(x﹣x1),③
又eq \f(1,k1)+eq \f(1,k2)=1,④
由①②③④整理可得lAB:y=(k1+k2﹣2)x﹣4,故直线AB恒过定点(0,﹣4).
思维升华 求解直线或曲线过定点问题的基本思路
(1)把直线或曲线方程中的变量x,y当作常数看待,把方程一端化为零,既然是过定点,那么这个方程就要对任意参数都成立,这时参数的系数就要全部等于零,这样就得到一个关于x,y的方程组,这个方程组的解所确定的点就是直线或曲线所过的定点.
(2)由直线方程确定其过定点时,若得到了直线方程的点斜式y﹣y0=k(x﹣x0),则直线必过定点(x0,y0);若得到了直线方程的斜截式y=kx+m,则直线必过定点(0,m).
跟踪训练1 已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的焦距为2eq \r(3),且过点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(3),\f(1,2))).
(1)求椭圆方程;
(2)设直线l:y=kx+m(k≠0)交椭圆C于A,B两点,且线段AB的中点M在直线x=eq \f(1,2)上,求证:线段AB的中垂线恒过定点N.
(1)解 椭圆过点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(3),\f(1,2))),即eq \f(3,a2)+eq \f(1,4b2)=1,又2c=2eq \r(3),得a2=b2+3,
所以a2=4,b2=1,即椭圆方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)证明 由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,4)+y2=1,,y=kx+m,))得(1+4k2)x2+8kmx+4m2﹣4=0,Δ=16(4k2﹣m2+1)>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=﹣eq \f(8km,1+4k2),设AB的中点M为(x0,y0),
得x0=﹣eq \f(4km,1+4k2)=eq \f(1,2),即1+4k2=﹣8km,所以y0=kx0+m=eq \f(1,2)k﹣eq \f(1+4k2,8k)=﹣eq \f(1,8k).
所以AB的中垂线方程为y+eq \f(1,8k)=﹣eq \f(1,k)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(1,2))),即y=﹣eq \f(1,k)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(3,8))),
故AB的中垂线恒过点Neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,8),0)).
题型二 定值问题
例2 已知抛物线E:y2=2px(p>0)上的动点M到直线x=﹣1的距离比到抛物线E的焦点F的距离大eq \f(1,2).
(1)求抛物线E的标准方程;
(2)设点Q是直线x=﹣1(y≠0)上的任意一点,过点P(1,0)的直线l与抛物线E交于A,B两点,记直线AQ,BQ,PQ的斜率分别为kAQ,kBQ,kPQ,证明:eq \f(kAQ+kBQ,kPQ)为定值.
(1)解 由题意可知抛物线E的准线方程为x=﹣eq \f(1,2),所以﹣eq \f(p,2)=﹣eq \f(1,2),即p=1,
故抛物线E的标准方程为y2=2x.
(2)证明 设Q(﹣1,y0),A(x1,y1),B(x2,y2),
因为直线l的斜率显然不为0,故可设直线l的方程为x=ty+1.
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=ty+1,,y2=2x,))消去x,得y2﹣2ty﹣2=0.Δ=4t2+8>0,
所以y1+y2=2t,y1y2=﹣2,kPQ=﹣eq \f(y0,2).
又kAQ+kBQ=eq \f(y1-y0,x1+1)+eq \f(y2-y0,x2+1)=eq \f(y1-y0x2+1+y2-y0x1+1,x1+1x2+1)
=eq \f(y1-y0ty2+2+y2-y0ty1+2,ty1+2ty2+2)=eq \f(2ty1y2+2-ty0y1+y2-4y0,t2y1y2+2ty1+y2+4)
=eq \f(2t·-2+2-ty0·2t-4y0,t2·-2+2t·2t+4)=eq \f(-y0t2+2,t2+2)=﹣y0.
所以eq \f(kAQ+kBQ,kPQ)=eq \f(-y0,-\f(y0,2))=2(定值).
教师备选
已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,过点F1的直线l交椭圆于A,B两点,交y轴于点M,若|F1F2|=2,△ABF2的周长为8.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)eq \(MA,\s\up6(→))=λeq \(F1A,\s\up6(―→)),eq \(MB,\s\up6(→))=μeq \(F1B,\s\up6(――→)),试分析λ+μ是否为定值,若是,求出这个定值,否则,说明理由.
解 (1)因为△ABF2的周长为8,所以4a=8,解得a=2,
由|F1F2|=2,得2eq \r(a2-b2)=2eq \r(4-b2)=2,所以b2=3,
因此椭圆C的标准方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
(2)由题意可得直线l的斜率存在,设直线l的方程为y=k(x+1),
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+1,,\f(x2,4)+\f(y2,3)=1,))整理得(3+4k2)x2+8k2x+4k2﹣12=0,显然Δ>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=-\f(8k2,3+4k2),,x1x2=\f(4k2-12,3+4k2).))设M(0,k),又F1(﹣1,0),
所以eq \(MA,\s\up6(→))=(x1,y1﹣k),eq \(F1A,\s\up6(―→))=(x1+1,y1),则λ=eq \f(x1,x1+1).
同理可得eq \(MB,\s\up6(→))=(x2,y2﹣k),eq \(F1B,\s\up6(-→))=(x2+1,y2),则μ=eq \f(x2,x2+1).
所以λ+μ=eq \f(x1,x1+1)+eq \f(x2,x2+1)=eq \f(x1x2+1+x2x1+1,x1+1x2+1)=eq \f(2x1x2+x1+x2,x1x2+x1+x2+1)
=eq \f(2×\f(4k2-12,3+4k2)-\f(8k2,3+4k2),\f(4k2-12,3+4k2)-\f(8k2,3+4k2)+1)=eq \f(8k2-24-8k2,4k2-12-8k2+3+4k2)=eq \f(-24,-9)=eq \f(8,3),所以λ+μ为定值eq \f(8,3).
思维升华 圆锥曲线中的定值问题的常见类型及解题策略
(1)求代数式为定值.依题设条件,得出与代数式参数有关的等式,代入代数式、化简即可得出定值.
(2)求点到直线的距离为定值.利用点到直线的距离公式得出距离的解析式,再利用题设条件化简、变形求得.
(3)求某线段长度为定值.利用长度公式求得解析式,再依据条件对解析式进行化简、变形即可求得.
跟踪训练2 在平面直角坐标系Oxy中,已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(2),2)))是C上一点,且PF2与x轴垂直.
(1)求椭圆C的方程;
(2)若过点Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(6),3),0))的直线l交C于A,B两点,证明:eq \f(1,|AQ|2)+eq \f(1,|BQ|2)为定值.
(1)解 由题意得F2(1,0),F1(﹣1,0),且c=1,
则2a=|PF1|+|PF2|=eq \r(1+12+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2)-0))2)+eq \f(\r(2),2)=2eq \r(2),即a=eq \r(2),所以b=eq \r(a2-c2)=1,
故椭圆C的方程为eq \f(x2,2)+y2=1.
(2)证明 当直线AB的斜率为零时.点A,B为椭圆长轴的端点,
则eq \f(1,|AQ|2)+eq \f(1,|BQ|2)=eq \f(1,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\r(2)+\f(\r(6),3)))2)+eq \f(1,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2)+\f(\r(6),3)))2)=eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2)+\f(\r(6),3)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2)-\f(\r(6),3)))2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2-\f(2,3)))2)=eq \f(4+\f(4,3),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(4,3)))2)=3.
当直线AB不与x轴重合时,设直线AB的方程为x=ty﹣eq \f(\r(6),3),
点A(x1,y1),B(x2,y2),联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=ty-\f(\r(6),3),,\f(x2,2)+y2=1,))消去x,
得(t2+2)y2﹣eq \f(2\r(6)t,3)y﹣eq \f(4,3)=0,则Δ=eq \f(8,3)t2+eq \f(16,3)(t2+2)>0恒成立,
由根与系数的关系,得y1+y2=eq \f(2\r(6)t,3t2+2),y1y2=﹣eq \f(4,3t2+2).
所以eq \f(1,|AQ|2)+eq \f(1,|BQ|2)=eq \f(1,1+t2y\\al(2,1))+eq \f(1,1+t2y\\al(2,2))=eq \f(y\\al(2,1)+y\\al(2,2),1+t2y\\al(2,1)y\\al(2,2))=eq \f(y1+y22-2y1y2,1+t2y\\al(2,1)y\\al(2,2))=eq \f(\f(8t2,3t2+22)+\f(8,3t2+2),1+t2·\f(16,9t2+22))
=eq \f(\f(16t2+1,3t2+22),1+t2·\f(16,9t2+22))=eq \f(16,3)×eq \f(9,16)=3.综上,eq \f(1,|AQ|2)+eq \f(1,|BQ|2)=3为定值.
课时精练
1.(2022·临沂模拟)已知P(1,2)在抛物线C:y2=2px上.
(1)求抛物线C的方程;
(2)A,B是抛物线C上的两个动点,如果直线PA的斜率与直线PB的斜率之和为2,证明:直线AB过定点.
(1)解 将P点坐标代入抛物线方程y2=2px,得4=2p,即p=2,
所以抛物线C的方程为y2=4x.
(2)证明 设AB:x=my+t,将AB的方程与y2=4x联立得y2﹣4my﹣4t=0,
Δ>0⇒16m2+16t>0⇒m2+t>0,设A(x1,y1),B(x2,y2),
则y1+y2=4m,y1y2=﹣4t,kPA=eq \f(y1-2,x1-1)=eq \f(y1-2,\f(y\\al(2,1),4)-1)=eq \f(4,y1+2),同理kPB=eq \f(4,y2+2),
由题意知eq \f(4,y1+2)+eq \f(4,y2+2)=2,即4(y1+y2+4)=2(y1y2+2y1+2y2+4),
解得y1y2=4,故﹣4t=4,即t=﹣1,
故直线AB:x=my﹣1恒过定点(﹣1,0).
2.已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的离心率为eq \f(2,3),且其左顶点到右焦点的距离为5.
(1)求椭圆的方程;
(2)设点M,N在椭圆上,以线段MN为直径的圆过原点O,试问是否存在定点P,使得P到直线MN的距离为定值?若存在,求出点P的坐标;若不存在,请说明理由.
解 (1)由题设可知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(c,a)=\f(2,3),,a+c=5,))解得a=3,c=2,b2=a2﹣c2=5,
所以椭圆的方程为eq \f(x2,9)+eq \f(y2,5)=1.
(2)设M(x1,y1),N(x2,y2),
①若直线MN与x轴垂直,由对称性可知|x1|=|y1|,
将点M(x1,y1)代入椭圆方程,解得|x1|=eq \f(3\r(70),14),原点到该直线的距离d=eq \f(3\r(70),14);
②若直线MN不与x轴垂直,设直线MN的方程为y=kx+m,
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+m,,\f(x2,9)+\f(y2,5)=1,))消去y得(9k2+5)x2+18kmx+9m2﹣45=0,
由根与系数的关系得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1x2=\f(9m2-45,9k2+5),,x1+x2=-\f(18km,9k2+5),))由题意知,eq \(OM,\s\up6(→))·eq \(ON,\s\up6(→))=0,
即x1x2+(kx1+m)(kx2+m)=0,
得(k2+1)eq \f(9m2-45,9k2+5)+kmeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(18km,9k2+5)))+m2=0,整理得45k2+45=14m2,
则原点到该直线的距离d=eq \f(|m|,\r(k2+1))=eq \r(\f(45,14))=eq \f(3\r(70),14),
故存在定点P(0,0),使得P到直线MN的距离为定值.
3.椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右顶点为A,上顶点为B,O为坐标原点,直线AB的斜率为﹣eq \f(1,2),△OAB的面积为1.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)椭圆上有两点M,N(异于椭圆顶点,且MN与x轴不垂直),证明:当△OMN的面积最大时,直线OM与ON的斜率之积为定值.
(1)解 椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右顶点A(a,0),上顶点B(0,b),
由题知eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(kAB=\f(b-0,0-a)=-\f(1,2),,S△OAB=1))⇒eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=2b,,\f(1,2)ab=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=2,,b=1,))
所以椭圆的标准方程为eq \f(x2,4)+y2=1.
(2)证明 由已知MN与x轴不垂直,可知直线MN的斜率存在,设直线MN的方程为y=kx+t,
设M(x1,y1),N(x2,y2),联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+t,,\f(x2,4)+y2=1,))整理得(4k2+1)x2+8ktx+4t2﹣4=0,
其中Δ=(8kt)2﹣4(4k2+1)(4t2﹣4)=16(4k2﹣t2+1)>0,即4k2+1>t2,
且x1+x2=﹣eq \f(8kt,4k2+1),x1x2=eq \f(4t2-4,4k2+1),所以|MN|=eq \r(1+k2)eq \r(x1+x22-4x1x2)=eq \f(4\r(1+k2)\r(4k2-t2+1),4k2+1).
又原点O到直线MN的距离d=eq \f(|t|,\r(1+k2)),
所以S△OMN=eq \f(1,2)·|MN|·d=eq \f(1,2)·eq \f(4\r(1+k2)\r(4k2-t2+1),4k2+1)·eq \f(|t|,\r(1+k2))=eq \f(2\r(t2·4k2-t2+1),4k2+1)≤eq \f(t2+4k2-t2+1,4k2+1)=1,
当且仅当t2=4k2﹣t2+1,即2t2=4k2+1时,等号成立,
所以kOM·kON=eq \f(y1y2,x1x2)=eq \f(kx1+tkx2+t,x1x2)=eq \f(k2x1x2+ktx1+x2+t2,x1x2)
=k2+eq \f(-kt·\f(8kt,4k2+1)+t2,\f(4t2-4,4k2+1))=k2+eq \f(-8k2t2+t24k2+1,4t2-4)=eq \f(-4k2+t2,4t2-4).
由2t2=4k2+1,可得kOM·kON=﹣eq \f(1,4),
所以当△OMN的面积最大时,直线OM与ON的斜率之积为定值.
4.已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,焦距为2,长轴长为4.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设过点F1不与x轴重合的直线l与椭圆C相交于E,D两点,试问在x轴上是否存在一个点M,使得直线ME,MD的斜率之积恒为定值?若存在,求出该定值及点M的坐标;若不存在,请说明理由.
解 (1)因为焦距为2,长轴长为4,即2c=2,2a=4,解得c=1,a=2,
所以b2=a2﹣c2=3,所以椭圆C的方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
(2)由(1)知F1(﹣1,0),设点E(x1,y1),D(x2,y2),M(m,0),
因为直线l不与x轴重合,所以设直线l的方程为x=ny﹣1,
联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=ny-1,,\f(x2,4)+\f(y2,3)=1,))得(3n2+4)y2﹣6ny﹣9=0,所以Δ=(﹣6n)2+36(3n2+4)>0,
所以y1+y2=eq \f(6n,3n2+4),y1y2=﹣eq \f(9,3n2+4),
又x1x2=(ny1﹣1)(ny2﹣1)=n2y1y2﹣n(y1+y2)+1=﹣eq \f(9n2,3n2+4)﹣eq \f(6n2,3n2+4)+1=﹣eq \f(12n2-4,3n2+4),
x1+x2=n(y1+y2)﹣2=eq \f(6n2,3n2+4)﹣2=﹣eq \f(8,3n2+4).
直线ME,MD的斜率分别为kME=eq \f(y1,x1-m),kMD=eq \f(y2,x2-m),
所以kME·kMD=eq \f(y1,x1-m)·eq \f(y2,x2-m)=eq \f(y1y2,x1-mx2-m)=eq \f(y1y2,x1x2-mx1+x2+m2)
=eq \f(\f(-9,3n2+4),-\f(12n2-4,3n2+4)-m\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(-8,3n2+4)))+m2)=eq \f(-9,-12n2+4+8m+3m2n2+4m2)=﹣eq \f(9,3m2-12n2+4m+12),
要使直线ME,MD的斜率之积恒为定值,
3m2﹣12=0,解得m=±2,
当m=2时,存在点M(2,0),使得kME·kMD=﹣eq \f(9,3m2-12n2+4m+12)=﹣eq \f(9,36)=﹣eq \f(1,4),
当m=﹣2时,存在点M(﹣2,0),使得kME·kMD=﹣eq \f(9,3m2-12n2+4m+12)=﹣eq \f(9,4),
综上,在x轴上存在点M,使得ME,MD的斜率之积恒为定值,
当点M的坐标为(2,0)时,直线ME,MD的斜率之积为定值﹣eq \f(1,4),
当点M的坐标为(﹣2,0)时,直线ME,MD的斜率之积为定值﹣eq \f(9,4).
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