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2025届高考数学二轮专题复习与测试专题4圆锥曲线中的范围最值与探索
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这是一份2025届高考数学二轮专题复习与测试专题4圆锥曲线中的范围最值与探索,共15页。
(2023·新课标Ⅰ卷)在直角坐标系xOy中,点P到x轴的距离等于点P到点(0, eq \f(1,2) )的距离,记动点P的轨迹为W.
(1)求W的方程;
(2)已知矩形ABCD有三个顶点在W上,证明:矩形ABCD的周长大于3 eq \r(3) .
【解】 (1)设点P的坐标为(x,y),依题意得|y|= eq \r(x2+(y-\f(1,2))2) ,
化简得x2=y- eq \f(1,4) ,
所以W的方程为x2=y- eq \f(1,4) .
(2)证明:设矩形ABCD的三个顶点A,B,C在W上,
则AB⊥BC,矩形ABCD的周长为2(|AB|+|BC|).
设点B(t,t2+ eq \f(1,4) ),依题意知直线AB不与两坐标轴平行,
故可设直线AB的方程为y-(t2+ eq \f(1,4) )=k(x-t),
不妨设k>0,将直线AB的方程与W的方程x2=y- eq \f(1,4) 联立,得x2-kx+kt-t2=0,
则Δ=k2-4(kt-t2)=(k-2t)2>0,所以k≠2t.
设点A(x1,y1),所以t+x1=k,所以x1=k-t,
所以|AB|= eq \r(1+k2) ·|x1-t|= eq \r(1+k2) ·|k-2t|= eq \r(1+k2) ·|2t-k|,
同理得|BC|= eq \r(1+(-\f(1,k))2) · eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(-\f(1,k)-2t)) = eq \f(\r(1+k2),k) · eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(1,k)+2t)) = eq \f(\r(1+k2),k2) ·|2kt+1|,且2kt+1≠0,
所以2(|AB|+|BC|)= eq \f(2\r(1+k2),k2) (|2k2t-k3|+|2kt+1|).
因为|2k2t-k3|+|2kt+1|=
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1((-2k2-2k)t+k3-1,t≤-\f(1,2k),,(2k-2k2)t+k3+1,-\f(1,2k)\f(k,2),))
当2k-2k2≤0,即k≥1时,函数y=(-2k2-2k)t+k3-1在(-∞,- eq \f(1,2k) ]上单调递减;函数y=(2k-2k2)t+k3+1在(- eq \f(1,2k) , eq \f(k,2) ]上单调递减或是常函数(当k=1时是常函数);函数y=(2k2+2k)t-k3+1在( eq \f(k,2) ,+∞)上单调递增,
所以当t= eq \f(k,2) 时,函数|2k2t-k3|+|2kt+1|取得最小值,且最小值为k2+1,
又k≠2t,所以2(|AB|+|BC|)> eq \f(2\r(1+k2),k2) (k2+1)= eq \f(2(1+k2)\s\up6(\f(3,2)),k2) .
令f(k)= eq \f(2(1+k2)\s\up6(\f(3,2)),k2) ,k≥1,
则f′(k)= eq \f(2(1+k2)\s\up6(\f(1,2))(k+\r(2))(k-\r(2)),k3) ,
当1≤k< eq \r(2) 时,f′(k) eq \r(2) 时,f′(k)>0,
所以函数f(k)在[1, eq \r(2) )上单调递减,在( eq \r(2) ,+∞)上单调递增,
所以f(k)≥f( eq \r(2) )=3 eq \r(3) ,
所以2(|AB|+|BC|)> eq \f(2(1+k2)\s\up6(\f(3,2)),k2) ≥3 eq \r(3) .
当2k-2k2>0,即00,即t2+6t+1>0,
得t>-3+2 eq \r(2) 或t12-8 eq \r(2) =4(3-2 eq \r(2) ).
综上所述,△MFN面积的最小值为4(3-2 eq \r(2) ).
圆锥曲线中最值问题的两种基本解法
(2024·泰安模拟)已知直线l:kx-y-k=0分别与x轴、直线x=-1交于点A,B,点P是线段AB的垂直平分线上的一点(P不在x轴负半轴上)且tan ∠ABP=|k|.
(1)求点P的轨迹C的方程;
(2)设l与C交于E,F两点,点M在C上且满足 eq \(AE,\s\up10(→)) · eq \(AM,\s\up10(→)) =0,延长MA交C于点N,求 eq \(EM,\s\up10(→)) · eq \(NF,\s\up10(→)) 的最小值.
解:(1)直线l:kx-y-k=0,过定点A(1,0),由题意k≠0,如图,
因为tan ∠ABP=|k|,
所以∠ABP=∠OAB,
又因为P不在x轴负半轴上,
所以PB与直线x=-1垂直,
又因为|PB|=|PA|,
所以点P的轨迹是以A(1,0)为焦点,x=-1为准线的抛物线,
所以点P的轨迹C的方程为y2=4x(x≠0).
(2)由 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(kx-y-k=0,,y2=4x)) 得k2x2-(2k2+4)x+k2=0,
因为l与C交于两点,
所以k≠0,Δ>0,
设E(x1,y1),F(x2,y2),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x1+x2=2+\f(4,k2),,x1x2=1,))
又因为 eq \(AE,\s\up10(→)) · eq \(AM,\s\up10(→)) =0,所以AE⊥AM,
则MN的斜率为- eq \f(1,k) ,所以直线MN的方程为
y=- eq \f(1,k) (x-1),
设M(x3,y3),N(x4,y4),
同理得x3+x4=2+4k2,x3x4=1,
所以 eq \(EM,\s\up10(→)) · eq \(NF,\s\up10(→)) =( eq \(EA,\s\up10(→)) + eq \(AM,\s\up10(→)) )·( eq \(NA,\s\up10(→)) + eq \(AF,\s\up10(→)) )= eq \(EA,\s\up10(→)) · eq \(NA,\s\up10(→)) + eq \(EA,\s\up10(→)) · eq \(AF,\s\up10(→)) + eq \(AM,\s\up10(→)) · eq \(NA,\s\up10(→)) + eq \(AM,\s\up10(→)) · eq \(AF,\s\up10(→)) = eq \(EA,\s\up10(→)) · eq \(AF,\s\up10(→)) + eq \(AM,\s\up10(→)) · eq \(NA,\s\up10(→)) =| eq \(EA,\s\up10(→)) || eq \(AF,\s\up10(→)) |+| eq \(AM,\s\up10(→)) || eq \(NA,\s\up10(→)) |=(x1+1)(x2+1)+(x3+1)·(x4+1)=x1x2+x1+x2+1+x3x4+x3+x4+1=8+ eq \f(4,k2) +4k2≥8+8 eq \r(k2×\f(1,k2)) =16,
当且仅当k2= eq \f(1,k2) ,即k=±1时取等号,
所以 eq \(EM,\s\up10(→)) · eq \(NF,\s\up10(→)) 的最小值为16.
大题考法3 探索问题
[核心提炼]
圆锥曲线中的是否存在问题一般采用假设存在法破解,即先假设所探究的元素存在,在这个假设下探究其是否符合题目中所给信息,从而得到结论.解决问题的步骤为:
(2024·天津卷)已知椭圆 eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,b2) =1(a>b>0),椭圆的离心率e= eq \f(1,2) ,左顶点为A,下顶点为B,O为坐标原点,C是线段OB的中点,其中S△ABC= eq \f(3\r(3),2) .
(1)求椭圆的方程;
(2)过点(0,- eq \f(3,2) )的动直线与椭圆有两个交点P,Q,在y轴上是否存在点T使得 eq \(TP,\s\up10(→)) · eq \(TQ,\s\up10(→)) ≤0?若存在,求出点T纵坐标的取值范围;若不存在,请说明理由.
【解】 (1)因为e= eq \f(c,a) = eq \f(1,2) ,所以a=2c,则b= eq \r(a2-c2) = eq \r(3) c,
由题知A(-a,0),B(0,-b),C(0,- eq \f(b,2) ),
所以S△ABC= eq \f(1,2) ·|BC|·|OA|= eq \f(1,2) · eq \f(b,2) ·a= eq \f(1,2) · eq \f(\r(3)c,2) ·2c= eq \f(3\r(3),2) ,
得c= eq \r(3) ,
所以a=2 eq \r(3) ,b=3.
故椭圆的方程为 eq \f(x2,12) + eq \f(y2,9) =1.
(2)假设在y轴上存在点T,使得 eq \(TP,\s\up10(→)) · eq \(TQ,\s\up10(→)) ≤0.设P(x1,y1),Q(x2,y2),T(0,t).
当直线PQ的斜率不存在时,不妨设P(0,3),Q(0,-3),则 eq \(TP,\s\up10(→)) · eq \(TQ,\s\up10(→)) =(0,3-t)·(0,-3-t)=t2-9≤0,解得-3≤t≤3.
当直线PQ的斜率存在时,则其方程为y=kx- eq \f(3,2) ,
由 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=kx-\f(3,2),,\f(x2,12)+\f(y2,9)=1)) 可得(3+4k2)x2-12kx-27=0,所以Δ=144k2+4×27(3+4k2)>0,x1+x2= eq \f(12k,3+4k2) ,x1x2=- eq \f(27,3+4k2) .
则 eq \(TP,\s\up10(→)) · eq \(TQ,\s\up10(→)) =(x1,y1-t)·(x2,y2-t)=x1x2+(y1-t)·(y2-t)=x1x2+(kx1- eq \f(3,2) -t)(kx2- eq \f(3,2) -t)=(1+k2)x1x2-k( eq \f(3,2) +t)(x1+x2)+( eq \f(3,2) +t)2=- eq \f(27(1+k2),3+4k2) - eq \f(12k2(\f(3,2)+t),3+4k2) +( eq \f(3,2) +t)2=
eq \f(4k2t2-36k2+3t2+9t-\f(81,4),3+4k2) ≤0,
所以4k2t2-36k2+3t2+9t- eq \f(81,4) ≤0对k∈R恒成立,
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(4t2-36≤0,,3t2+9t-\f(81,4)≤0,)) 解得-3≤t≤ eq \f(3,2) .
综上,点T的纵坐标的取值范围是[-3, eq \f(3,2) ].
探索性问题的求解策略
(1)若给出问题的一些特殊关系,要探索一般规律,并证明所得规律的正确性,通常要对已知关系进行观察、比较、分析,然后概括一般规律.
(2)若只给出条件,求“不存在”“是否存在”等语句表述问题时,一般先对结论给出肯定的假设,然后由假设出发,结合已知条件进行推理,从而得出结论.
(2024·安徽一模)已知双曲线 eq \f(x2,a2) - eq \f(y2,b2) =1(a>0,b>0)中,焦距为4 eq \r(2) ,且双曲线过点P(-3,1),斜率不为零的直线与双曲线交于A,B两点,且以AB为直径的圆过点P.
(1)求双曲线的方程;
(2)是否存在直线AB,使得点P到直线AB的距离最大?若存在,求出直线AB的方程,若不存在,请说明理由.
解:(1)由题意得2c=4 eq \r(2) ,且 eq \f(9,a2) - eq \f(1,b2) =1,又a2+b2=c2,解得a2=6,b2=2,故双曲线方程为 eq \f(x2,6) - eq \f(y2,2) =1.
(2)设直线AB:x=my+n,联立 eq \f(x2,6) - eq \f(y2,2) =1得(m2-3)y2+2mny+n2-6=0,易知Δ>0,m2-3≠0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则y1+y2=- eq \f(2mn,m2-3) ,y1y2= eq \f(n2-6,m2-3) ,
由题意得 eq \(PA,\s\up10(→)) · eq \(PB,\s\up10(→)) =0,
即 eq \(PA,\s\up10(→)) · eq \(PB,\s\up10(→))
=(x1+3,y1-1)·(x2+3,y2-1)
=(x1+3)(x2+3)+(y1-1)(y2-1)
=(my1+n+3)(my2+n+3)+(y1-1)·(y2-1)=(m2+1)y1y2+[m(n+3)-1](y1+y2)+(n+3)2+1=0,
将y1+y2=- eq \f(2mn,m2-3) ,y1y2= eq \f(n2-6,m2-3) 代入上式,(m2+1)· eq \f(n2-6,m2-3) -[m(n+3)-1] eq \f(2mn,m2-3) +(n+3)2+1=0,
即(m2+1)(n2-6)-2m2n(n+3)+2mn+(n+3)2(m2-3)+m2-3=0,
化简得2m2+mn-n2-9n-18=0,
变形为(2m-n-6)(m+n+3)=0,
故n=-m-3或n=2m-6,
当n=-m-3时,直线AB:x=(y-1)m-3,经过定点(-3,1),与P重合,不满足要求,
当n=2m-6时,直线AB:x=(y+2)m-6,经过定点Q(-6,-2),
要想P到直线AB的距离最大,
则AB⊥PQ,其中kPQ= eq \f(-2-1,-6+3) =1.
故直线AB的斜率kAB=- eq \f(1,kPQ) =-1,
故直线AB的方程为y+2=-(x+6),
即y=-x-8.
经检验,y=-x-8满足要求.
1.已知直线l与抛物线C:x2=4y交于A,B两点,M是线段AB的中点.
(1)若直线AB的斜率为1,求点M的横坐标;
(2)若|AB|=8,求点M纵坐标的最小值.
解:(1)设A(x1,y1),B(x2,y2),M(x0,y0),则kAB= eq \f(y1-y2,x1-x2) = eq \f(\f(x eq \\al(2,1) ,4)-\f(x eq \\al(2,2) ,4),x1-x2) = eq \f(x1+x2,4) = eq \f(x0,2) .
由直线AB的斜率为1,得 eq \f(x0,2) =1,
所以x0=2,即点M的横坐标为2.
(2)设直线l的方程为y=kx+b,联立 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x2=4y,,y=kx+b,)) 消去y得x2-4kx-4b=0,
由Δ=(-4k)2-4×(-4b)>0,
得k2+b>0,①
则x1+x2=4k,x1x2=-4b,由|AB|=8,
得|AB|= eq \r(1+k2) ·|x1-x2|=
eq \r((1+k2)[(x1+x2)2-4x1x2]) =
eq \r((1+k2)[(4k)2-4×(-4b)]) =
4 eq \r((1+k2)(k2+b)) =8,
所以(1+k2)(k2+b)=4.②
由x1+x2=4k,得y1+y2=k(x1+x2)+2b=4k2+2b,
故点M的坐标为(2k,2k2+b),由①②得2k2+b=(k2+1)+(k2+b)-1≥2 eq \r((k2+1)(k2+b)) -1=3,当且仅当1+k2=k2+b,即b=1时取等号,故点M纵坐标的最小值为3.
2.(2024·潍坊模拟)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 eq \r(3) ,点Q( eq \r(3) ,- eq \f(1,2) )在椭圆C上.
(1)若P是椭圆C上一动点,求 eq \(PF1,\s\up10(→)) · eq \(PF2,\s\up10(→)) 的取值范围;
(2)已知过椭圆C的右焦点F2,且斜率不为零的直线l交椭圆C于M,N两点,求△F1MN的内切圆面积的最大值.
解:(1)由题意知c= eq \r(3) ,所以a2=b2+3.
将点Q( eq \r(3) ,- eq \f(1,2) )代入 eq \f(x2,b2+3) + eq \f(y2,b2) =1中,得b=1,
所以a2=1+3=4,
所以椭圆C的方程为 eq \f(x2,4) +y2=1.
设点P(x,y),则 eq \(PF1,\s\up10(→)) · eq \(PF2,\s\up10(→)) =(- eq \r(3) -x,-y)·( eq \r(3) -x,-y)=x2-3+y2= eq \f(3,4) x2-2.
又点P在椭圆C上,所以x∈[-2,2],
所以 eq \(PF1,\s\up10(→)) · eq \(PF2,\s\up10(→)) 的取值范围是[-2,1].
(2)依题意可设直线l的方程为x=my+ eq \r(3) ,M(x1,y1),N(x2,y2).
联立 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x=my+\r(3),,\f(x2,4)+y2=1,)) 消去x得(m2+4)y2+2 eq \r(3) my-1=0,
Δ=16m2+16>0,
所以y1+y2=- eq \f(2\r(3)m,m2+4) ,y1y2=- eq \f(1,m2+4) ,
所以S△F1MN= eq \f(1,2) ×2 eq \r(3) ·|y1-y2|= eq \r(3) × eq \r(\f(12m2,(m2+4)2)+\f(4,m2+4)) =4 eq \r(3) × eq \r(\f(m2+1,(m2+4)2)) .
又 eq \f(m2+1,(m2+4)2) = eq \f(m2+1,(m2+1)2+6(m2+1)+9)
= eq \f(1,(m2+1)+\f(9,m2+1)+6) ≤
eq \f(1,2× \r((m2+1)·\f(9,m2+1))+6) = eq \f(1,12) ,
当且仅当m2+1= eq \f(9,m2+1) ,即m=± eq \r(2) 时等号成立.
所以S△F1MN≤4 eq \r(3) × eq \r(\f(1,12)) =2.
由题意可知,|MF1|+|MF2|+|NF1|+|NF2|=4a,
即△F1MN的周长为4a.
又△F1MN内切圆半径r满足r= eq \f(2S△F1MN,4a) ≤ eq \f(4,8) = eq \f(1,2) ,
所以△F1MN的内切圆面积的最大值为 eq \f(π,4) .
3.已知椭圆Γ: eq \f(x2,m2) + eq \f(y2,3) =1(m>0,m≠ eq \r(3) ).
(1)若m=2,求椭圆Γ的离心率;
(2)设A1,A2分别为椭圆Γ的左、右顶点,若椭圆Γ上一点E的纵坐标为1,且 eq \(EA1,\s\up10(→)) · eq \(EA2,\s\up10(→)) =-2,求m的值;
(3)若P为椭圆Γ上一点,过点P作一条斜率为 eq \r(3) 的直线与双曲线 eq \f(y2,5m2) - eq \f(x2,5) =1仅有一个公共点,求m的取值范围.
解:(1)当m=2时,椭圆Γ的方程为 eq \f(x2,4) + eq \f(y2,3) =1,
则a=2,b= eq \r(3) ,所以c= eq \r(a2-b2) =1,
所以椭圆Γ的离心率e= eq \f(c,a) = eq \f(1,2) .
(2)依题意,A1(-m,0),A2(m,0),设E(p,1),则 eq \f(p2,m2) + eq \f(1,3) =1,得p2= eq \f(2,3) m2,①
eq \(EA1,\s\up10(→)) =(-m-p,-1), eq \(EA2,\s\up10(→)) =(m-p,-1),则 eq \(EA1,\s\up10(→)) · eq \(EA2,\s\up10(→)) =p2-m2+1=-2,②
联立①②,解得m=3.
(3)设过点P且斜率为 eq \r(3) 的直线的方程为y= eq \r(3) x+t,
联立 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=\r(3)x+t,,\f(x2,m2)+\f(y2,3)=1,)) 得 eq \f(x2,m2) + eq \f((\r(3)x+t)2,3) =1,
整理得(3m2+3)x2+2 eq \r(3) tm2x+(t2-3)m2=0,
则Δ1=(2 eq \r(3) tm2)2-4m2(3m2+3)(t2-3)≥0,
整理得t2≤3m2+3.③
联立 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(y=\r(3)x+t,,\f(y2,5m2)-\f(x2,5)=1,)) 得 eq \f((\r(3)x+t)2,5m2) - eq \f(x2,5) =1,
整理得(3-m2)x2+2 eq \r(3) tx+(t2-5m2)=0,
则Δ2=(2 eq \r(3) t)2-4(3-m2)(t2-5m2)=0,
整理得t2=5m2-15.④
由③④可得5m2-15≤3m2+3,解得-3≤m≤3,
由5m2-15≥0且m>0,可得m≥ eq \r(3) ,
又m≠ eq \r(3) ,所以m∈( eq \r(3) ,3].
综上,m的取值范围为( eq \r(3) ,3].
4.(2024·文昌模拟)已知双曲线E: eq \f(x2,a2) - eq \f(y2,b2) =1(a>0,b>0)的离心率为2,左、右焦点分别为F1(-c,0),F2(c,0),点A(x1,y1)为双曲线E右支上异于右顶点的动点,如图,过点A作圆C:x2+y2=a2的一条切线AM,切点为M,且|AM|2+3= eq \f(c2,a2) x eq \\al(2,1) -a2.
(1)求双曲线E的标准方程;
(2)设直线AF1与双曲线左支交于点B,双曲线的右顶点为D(a,0),直线AD,BD分别与圆C相交,交点分别为异于点D的点P,Q.判断弦PQ是否过定点,如果过定点,求出定点坐标;如果不过定点,请说明理由.
解:(1)因为点A(x1,y1)为双曲线E右支上异于右顶点的动点,
所以 eq \f(x eq \\al(2,1) ,a2) - eq \f(y eq \\al(2,1) ,b2) =1,则y eq \\al(2,1) = eq \f(b2,a2) x eq \\al(2,1) -b2.
连接AO,OM(图略),因为AM是圆C:x2+y2=a2的一条切线,所以OM⊥AM,△AOM为直角三角形,
所以|AM|2=|AO|2-|OM|2=x eq \\al(2,1) +y eq \\al(2,1) -a2= eq \f(c2,a2) x eq \\al(2,1) -a2-b2.
因为|AM|2+3= eq \f(c2,a2) x eq \\al(2,1) -a2,
所以 eq \f(c2,a2) x eq \\al(2,1) -a2-b2+3= eq \f(c2,a2) x eq \\al(2,1) -a2,
所以b2=3.
因为e2=1+ eq \f(b2,a2) =4,所以a2=1.
所以双曲线E的标准方程为x2- eq \f(y2,3) =1.
(2)弦PQ过定点(0,0),理由如下:
因为c= eq \r(a2+b2) =2,所以F1(-2,0).
设B(x2,y2),直线AF1:x=my-2.
联立 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(x=my-2,,x2-\f(y2,3)=1,)) 消去x得(3m2-1)y2-12my+9=0,
则3m2-1≠0,Δ>0,y1+y2= eq \f(12m,3m2-1) ,y1y2= eq \f(9,3m2-1) .
由(1)可知D点坐标为D(1,0),
因为kPD·kQD=kDA·kDB= eq \f(y1,x1-1) · eq \f(y2,x2-1)
= eq \f(y1y2,(my1-3)(my2-3)) = eq \f(y1y2,m2y1y2-3m(y1+y2)+9)
= eq \f(9,9m2-36m2+9(3m2-1)) =-1,
所以PD⊥QD,又点D,Q在圆C上,
所以PQ为圆C的直径,所以PQ一定过圆C的圆心,即弦PQ过定点(0,0).
几何法
根据已知的几何量之间的相互关系、平面几何和解析几何知识加以解决(如抛物线上的点到某个定点和焦点的距离之和、光线反射问题等在选择题、填空题中经常考查)
代数法
建立求解目标关于某个(或两个)变量的函数,通过求解函数的最值来解决(普通方法、基本不等式方法、导数方法等)
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