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高中数学圆锥曲线问题常用方法经典例题(含答案)

时间:2018-07-01


专题:解圆锥曲线问题常用方法(一)
【学习要点】
解圆锥曲线问题常用以下方法: 1、定义法 (1)椭圆有两种定义。第一定义中,r1+r2=2a。第二定义中,r1=ed1 r2=ed2。

(2) 双曲线有两种定义。 第一定义中, r1 ? r2 ? 2a , 当 r1>r2 时, 注意 r2 的最小值为 c-a: 第二定义中,r1=ed1,r2=ed2,尤其应注意第二定义的应用,常常将 半径与“点到准线距离” 互相转化。 (3)抛物线只有一种定义,而此定义的作用较椭圆、双曲线更大,很多抛物线问题用定 义解决更直接简明。 2、韦达定理法 因直线的方程是一次的,圆锥曲线的方程是二次的,故直线与圆锥曲线的问题常转化为方 程组关系问题,最终转化为一元二次方程问题,故用韦达定理及判别式是解决圆锥曲线问题的 重点方法之一,尤其是弦中点问题,弦长问题,可用韦达定理直接解决,但应注意不要忽视判 别式的作用。 3、解析几何的运算中,常设一些量而并不解解出这些量,利用这些量过渡使问题得以解 决,这种方法称为“设而不求法” 。设而不求法对于直线与圆锥曲线相交而产生的弦中点问题, 常用“点差法” ,即设弦的两个端点 A(x1,y1),B(x2,y2),弦 AB 中点为 M(x0,y0),将点 A、B 坐标 代入圆锥曲线方程,作差后,产生弦中点与弦斜率的关系,这是一种常见的“设而不求”法, 具体有: (1)

x2 y2 ? ? 1(a ? b ? 0) 与直线相交于 A 、 B ,设弦 AB 中点为 M(x0,y0) ,则有 a2 b2

x0 y 0 ? k ? 0。 a2 b2
(2)

x2 y2 ? ? 1(a ? 0, b ? 0) 与直线 l 相交于 A、B,设弦 AB 中点为 M(x0,y0)则有 a2 b2

x0 y 0 ? k ?0 a2 b2
(3)y2=2px(p>0)与直线 l 相交于 A、B 设弦 AB 中点为 M(x0,y0),则有 2y0k=2p,即 y0k=p.

1

【典型例题】
例 1、 (1)抛物线 C:y2=4x 上一点 P 到点 A(3,4 2 )与到准线的距离和最小,则点 P 的坐标为 ______________ (2)抛物线 C: y2=4x 上一点 Q 到点 B(4,1)与到焦点 F 的距离和最小,则点 Q 的坐标 为 。 分析: (1)A 在抛物线外,如图,连 PF,则 PH ? PF ,因而易发现, 当 A、P、F 三点共线时,距离和最小。 (2)B 在抛物线内,如图,作 QR⊥l 交于 R,则当 B、Q、R 三点共线时, 距离和最小。 解: (1) (2, 2 ) 连 PF,当 A、P、F 三点共线时, AP ? PH ? AP ? PF 最小,此时 AF 的方程为
H P F A Q B

y?

1 4 2 ?0 (注:另一交点为( , ? 2 ), ( x ? 1) 即 y=2 2 (x-1),代入 y2=4x 得 P(2,2 2 ), 2 3 ?1

它为直线 AF 与抛物线的另一交点,舍去) (2) (

1 ,1 ) 4

过 Q 作 QR⊥l 交于 R,当 B、Q、R 三点共线时, BQ ? QF ? BQ ? QR 最小,此时 Q 点 的纵坐标为 1,代入 y2=4x 得 x=

1 1 ,∴Q( ,1 ) 4 4

点评:这是利用定义将“点点距离”与“点线距离”互相转化的一个典型例题,请仔细体 会。 例 2、F 是椭圆

x2 y2 ? ? 1 的右焦点,A(1,1)为椭圆内一定点,P 为椭圆上一动点。 4 3
y A P F H x

(1) PA ? PF 的最小值为 (2) PA ? 2 PF 的最小值为 分析:PF 为椭圆的一个焦半径,常需将另一焦半径 PF ? 或准线作出来考 虑问题。 解: (1)4- 5
2

F 0 ′

设另一焦点为 F ? ,则 F ? (-1,0)连 A F ? ,P F ?

PA ? PF ? PA ? 2a ? PF ? ? 2a ? ( PF ? ? PA ) ? 2a ? AF ? ? 4 ? 5
当 P 是 F ? A 的延长线与椭圆的交点时, PA ? PF 取得最小值为 4- 5 。 (2)3 作出右准线 l,作 PH⊥l 交于 H,因 a2=4,b2=3,c2=1, a=2,c=1,e= ∴ PF ?

1 , 2

1 PH ,即2 PF ? PH 2

∴ PA ? 2 PF ? PA ? PH

a2 ? xA ? 4 ?1 ? 3 当 A、P、H 三点共线时,其和最小,最小值为 c
例 3、动圆 M 与圆 C1:(x+1)2+y2=36 内切,与圆 C2:(x-1)2+y2=4 外切,求圆心 M 的轨迹方程。 分析:作图时,要注意相切时的“图形特征” :两个圆心与切点这三 点共线(如图中的 A、M、C 共线,B、D、M 共线) 。列式的主要途径是 动圆的“半径等于半径” (如图中的 MC ? MD ) 。 解:如图, MC ? MD , ∴ AC ? MA ? MB ? DB即6 ? MA ? MB ? 2 ∴ MA ? MB ? 8 (*)

y M D C 5 x

A

0B

∴点 M 的轨迹为椭圆,2a=8,a=4,c=1,b2=15 轨迹方程为

x2 y2 ? ?1 16 15

点评:得到方程(*)后,应直接利用椭圆的定义写出方程,而无需再用距离公式列式求
2 2 解,即列出 ( x ? 1) ? y ?

( x ? 1) 2 ? y 2 ? 4 ,再移项,平方,?相当于将椭圆标准方程

推导了一遍,较繁琐! 例 4、△ABC 中,B(-5,0),C(5,0),且 sinC-sinB=

3 sinA,求点 A 的轨迹方程。 5

分析:由于 sinA、sinB、sinC 的关系为一次齐次式,两边乘以 2R(R 为外接圆半径) ,可 转化为边长的关系。
3

解:sinC-sinB=

3 sinA 5

2RsinC-2RsinB=

3 ·2RsinA 5

∴ AB ? AC ?

3 BC 5
(*)

即 AB ? AC ? 6

∴点 A 的轨迹为双曲线的右支(去掉顶点) ∵2a=6,2c=10 ∴a=3, c=5, b=4 所求轨迹方程为

x2 y2 ? ? 1 (x>3) 9 16

点评:要注意利用定义直接解题,这里由(*)式直接用定义说明了轨迹(双曲线右支) 例 5、定长为 3 的线段 AB 的两个端点在 y=x2 上移动,AB 中点为 M,求点 M 到 x 轴的最 短距离。 分析: (1)可直接利用抛物线设点,如设 A(x1,x12),B(x2,X22),又设 AB 中点为 M(x0y0) 用弦长公式及中点公式得出 y0 关于 x0 的函数表达式,再用函数思想求出最短距离。 (2)M 到 x 轴的距离是一种“点线距离” ,可先考虑 M 到准线的距离,想到用定义法。 解法一:设 A(x1,x12),B(x2,x22),AB 中点 M(x0,y0)
2 2 ?( x1 ? x 2 ) 2 ? ( x12 ? x 2 ) ?9 ① ? 则 ?x ? x ? 2x ② 1 2 0 ③ ? 2 2 ? x1 ? x 2 ? 2 y 0

由①得(x1-x2)2[1+(x1+x2)2]=9 即[(x1+x2)2-4x1x2]·[1+(x1+x2)2]=9 ④ 由②、③得 2x1x2=(2x0)2-2y0=4x02-2y0 代入④得 [(2x0)2-(8x02-4y0)]·[1+(2x0)2]=9

4

∴ 4 y 0 ? 4 x0 ?
2

9 , 2 1 ? 4 x0

2 4 y 0 ? 4 x0 ?

9 9 2 ? ( 4 x0 ? 1) ? 2 ?1 2 4 x0 4 x0 ? 1
y0 ? 5 4

≥ 2 9 ? 1 ? 5,

当 4x02+1=3 即 x 0 ? ?

5 2 2 5 时, ( y 0 ) min ? 此时 M (? , ) 4 2 2 4

法二:如图, 2 MM 2 ? AA2 ? BB2 ? AF ? BF ? AB ? 3

∴ MM 2 ?

3 1 3 , 即 MM 1 ? ? , 2 4 2 5 , 当 AB 经过焦点 F 时取得最小值。 4
A A1 A2

y M

B

∴ MM 1 ?

0 M1 M2

B1 B2

x

5 ∴M 到 x 轴的最短距离为 4

点评:解法一是列出方程组,利用整体消元思想消 x1,x2,从而形成 y0 关于 x0 的函数, 这是一种“设而不求”的方法。而解法二充分利用了抛物线的定义,巧妙地将中点 M 到 x 轴 的距离转化为它到准线的距离,再利用梯形的中位线,转化为 A、B 到准线的距离和,结合定 义与三角形中两边之和大于第三边(当三角形“压扁”时,两边之和等于第三边)的属性,简 捷地求解出结果的,但此解法中有缺点,即没有验证 AB 是否能经过焦点 F,而且点 M 的坐标 也不能直接得出。

x2 y2 ? ? 1(2 ? m ? 5) 过其左焦点且斜率为 1 的直线与椭圆及准线从 例 6、已知椭圆 m m ?1
左到右依次变于 A、B、C、D、设 f(m)= AB ? CD ,(1)求 f(m),(2)求 f(m)的最值。

5

分析:此题初看很复杂,对 f(m)的结构不知如何运算,因 A、B 来源于“不同系统” ,A 在准线上,B 在椭圆上,同样 C 在椭圆上,D 在准线上,可见直接求解较繁,将这些线段“投 影”到 x 轴上,立即可得防

f (m) ? ( x B ? x A ) 2 ? ( x D ? xC ) 2 ? 2 ( x B ? x A ) ? ( x D ? X C )

? 2 ( x B ? xC ) ? ( x A ? x D )
? 2 ( xB ? X C )
此时问题已明朗化,只需用韦达定理即可。

y C F1 0 F2

D

A

B

x

解: (1)椭圆

x2 y2 ? ? 1 中,a2=m,b2=m-1,c2=1,左焦点 F1(-1,0) m m ?1

则 BC:y=x+1,代入椭圆方程即(m-1)x2+my2-m(m-1)=0 得(m-1)x2+m(x+1)2-m2+m=0 ∴(2m-1)x2+2mx+2m-m2=0

设 B(x1,y1),C(x2,y2),则 x1+x2=-

2m (2 ? m ? 5) 2m ? 1

f (m) ? AB ? CD ? 2 ( x B ? x A ) ? ( x D ? xC ) ? 2 ( x1 ? x2 ) ? ( x A ? xC ) ? 2 x1 ? x2 ? 2 ?
2m ? 1 ? 1 1 ? 2 (1 ? ) 2m ? 1 2m ? 1

2m 2m ? 1

(2) f (m) ?

2

∴当 m=5 时, f (m) min ?

10 2 9

6

当 m=2 时, f (m) max ?

4 2 3

点评:此题因最终需求 xB ? xC ,而 BC 斜率已知为 1,故可也用“点差法”设 BC 中点为 M(x0,y0), 通 过 将 B 、 C 坐 标 代 入 作 差 , 得

x0 y ? 0 ? k ? 0 , 将 y0=x0+1 , k=1 代 入 得 m m ?1

x0 x0 ? 1 m 2m ? ? 0 ,∴ x0 ? ? ,可见 x B ? xC ? ? 2m ? 1 m m ?1 2m ? 1
当然,解本题的关键在于对 f ( m) ? AB ? CD 的认识,通过线段在 x 轴的“投影”发现

f (m) ? xB ? xC 是解此题的要点。

【同步练习】
1、已知:F1,F2 是双曲线

x2 y2 ? ? 1 的左、右焦点,过 F1 作直线交双曲线左支于点 A、 a2 b2
) C、4a+2m D、4a-m

B,若 AB ? m ,△ABF2 的周长为( A、4a B、4a+m

2、若点 P 到点 F(4,0)的距离比它到直线 x+5=0 的距离小 1,则 P 点的轨迹方程是 ( A、y2=-16x B、y2=-32x C、y2=16x D、y2=32x )

3、已知△ABC 的三边 AB、BC、AC 的长依次成等差数列,且 AB ? AC ,点 B、C 的 坐标分别为(-1,0),(1,0),则顶点 A 的轨迹方程是( A、 )

x2 y2 ? ?1 4 3 x2 y2 ? ? 1( x ? 0) 4 3

B、

x2 y2 ? ? 1( x ? 0) 4 3 x2 y2 ? ? 1( x ? 0且y ? 0) 4 3
( )

C、

D、

4、过原点的椭圆的一个焦点为 F(1,0),其长轴长为 4,则椭圆中心的轨迹方程是

7

A、 ( x ? ) ? y ?
2 2

1 2

9 ( x ? ?1) 4
9 ( x ? ?1) 4

B、 ( x ?
2

1 2 9 ) ? y 2 ? ( x ? ?1) 2 4
1 2 9 ) ? ( x ? ?1) 2 4

C、 x ? ( y ? ) ?
2 2

1 2

D、 x ? ( y ?

5、已知双曲线

x2 y2 ? ? 1 上一点 M 的横坐标为 4,则点 M 到左焦点的距离是 9 16

6、抛物线 y=2x2 截一组斜率为 2 的平行直线,所得弦中点的轨迹方程是 7、已知抛物线 y2=2x 的弦 AB 所在直线过定点 p(-2,0),则弦 AB 中点的轨迹方程是 8、过双曲线 x2-y2=4 的焦点且平行于虚轴的弦长为 9、直线 y=kx+1 与双曲线 x2-y2=1 的交点个数只有一个,则 k= 10、设点 P 是椭圆 大值。

x2 y2 ? ? 1 上的动点,F1,F2 是椭圆的两个焦点,求 sin∠F1PF2 的最 25 9

11、已知椭圆的中心在原点,焦点在 x 轴上,左焦点到坐标原点、右焦点、右准线的距离 依次成等差数列, 若直线 l 与此椭圆相交于 A、 B 两点, 且 AB 中点 M 为(-2, 1), AB ? 4 3 , 求直线 l 的方程和椭圆方程。

12、 已知直线 l 和双曲线

x2 y2 ? ? 1(a ? 0, b ? 0) 及其渐近线的交点从左到右依次为 A、 a2 b2

B、C、D。求证: AB ? CD 。

8

【参考答案】
1、C

AF2 ? AF 1 ? 2a, BF 2 ? BF 1 ? 2a ,
∴ AF2 ? BF2 ? AB ? 4a, AF2 ? BF2 ? AB ? 4a ? 2m, 选 C 2、C 点 P 到 F 与到 x+4=0 等距离,P 点轨迹为抛物线 p=8 开口向右,则方程为 y2=16x,选 C 3、D ∵ AB ? AC ? 2 ? 2 ,且 AB ? AC ∵点 A 的轨迹为椭圆在 y 轴右方的部分、又 A、B、C 三点不共线,即 y≠0,故选 D。 4、A 设中心为(x,y),则另一焦点为(2x-1,2y),则原点到两焦点距离和为 4 得

1 9 1 ? (2 x ? 1) 2 ? (2 y ) 2 ? 4 ,∴ ( x ? ) 2 ? y 2 ? 2 4
2 2 ①又 c<a,∴ ( x ? 1) ? y ? 2

∴(x-1)2+y2<4 ②,由①,②得 x≠-1,选 A 5、

29 3 9 9 29 ,M 到左准线距离为 d ? 4 ? (? ) ? 则 M 到左焦点的距离为 5 5 5

左准线为 x=-

ed ?

5 29 29 ? ? 3 5 3

6、 x ?

1 1 (y ? ) 2 2

设弦为 AB,A(x1,y1),B(x2,y2)AB 中点为(x,y),则 y1=2x12,y2=2x22,y1-y2=2(x12-x22) ∴

y1 ? y 2 ? 2( x1 ? x2 ) x1 ? x2

∴2=2·2x, x ?

1 2

将x ?

1 1 1 1 代入 y=2x2 得 y ? ,轨迹方程是 x ? (y> ) 2 2 2 2

7、y2=x+2(x>2) 设 A(x1,y1),B(x2,y2),AB 中点 M(x,y),则
9

2 2 y12 ? 2 x1 , y 2 ? 2 x2 , y12 ? y 2 ? 2( x1 ? x2 ),

y1 ? y 2 ? ( y1 ? y 2 ) ? 2 x1 ? x2

∵ k AB ? k MP ?

y?0 y ? 2 y ? 2 ,即 y2=x+2 ,∴ x?2 x?2

又弦中点在已知抛物线内 P,即 y2<2x,即 x+2<2x,∴x>2 8、4

a 2 ? b 2 ? 4, c 2 ? 8, c ? 2 2 ,令 x ? 2 2 代入方程得 8-y2=4
∴y2=4,y=±2,弦长为 4 9、 ?

2或 ? 1

y=kx+1 代入 x2-y2=1 得 x2-(kx+1)2-1=0 ∴(1-k2)x2-2kx-2=0 ①?

?1 ? k 2 ? 0 得 4k2+8(1-k2)=0,k= ? 2 ?? ? 0

②1-k2=0 得 k=±1 10、解:a2=25,b2=9,c2=16 设 F1、F2 为左、右焦点,则 F1(-4,0)F2(4,0) 设 PF 1 ?r 1 , PF 2 ? r2 , ?F 1 PF 2 ??
r1 ? r2 ? 2? 则? ?
2 1 2 2

y P F1 F2 x

?r ? r ? 2r1r2 cos? ? (2c)

2

① ②

①2-②得 2r1r2(1+cosθ )=4b2 ∴1+cosθ =

4b 2 2b 2 ? 2r1 r2 r1 r2

∵r1+r2 ? 2 r1r2 ,

∴r1r2 的最大值为 a2

∴1+cosθ 的最小值为 cosθ ? ?

18 2b 2 ,即 1+cosθ ? 2 25 a

7 ? 7 , 0 ? ? ? ? ? arccos 则当 ? ? 时,sinθ 取值得最大值 1, 25 2 25

即 sin∠F1PF2 的最大值为 1。 11、设椭圆方程为

x2 y2 ? ? 1(a ? b ? 0) a2 b2
10

由题意:C、2C、 ∴ 4c ? c ?

a2 ? c 成等差数列, c

a2 ? c即a 2 ? 2c 2 , c x2 y2 ? ? 1 ,设 A(x1,y1),B(x2,y2) 2b 2 b 2

∴a2=2(a2-b2),∴a2=2b2 椭圆方程为



2 2 x12 y12 x2 y2 ? ? 1 ? ? 1② ① 2b 2 b 2 2b 2 b 2 2 2 x12 ? x 2 y12 ? y 2 ? ?0 2b 2 b2

①-②得



xm y ? m ?k ? 0 2 2b b2
?2 ? k ? 0 ∴k=1 2 1 12 2 ? 12(18 ? 2b 2 ) 2 ? 4 3 3



直线 AB 方程为 y-1=x+2 即 y=x+3, 代入椭圆方程即 x2+2y2-2b2=0 得 x2+2(x+3)2-2b2=0 ∴3x2+12x+18-2b2=0,

AB ? x1 ? x 2 1 ? 1 ?

x2 y2 ? ? 1 ,直线 l 方程为 x-y+3=0 解得 b =12, ∴椭圆方程为 24 12
2

12、证明:设 A(x1,y1),D(x2,y2),AD 中点为 M(x0,y0)直线 l 的斜率为 k,则
? x12 y12 ? ?1 ① ? ?a2 b2 ? 2 2 ? x2 ? y 2 ? 1 ② ? ?a2 b2

①-②得

2 x0 2 y 0 ? 2 ?k ? 0 ③ a2 b

? , y1 ? ),C( x2 ? , y2 ? ), BC中点为M ?( x0 ? , y0 ?), 设 B( x1
? x1 2 y 1 2 1 ? 12 ? 0 ④ 则? ? a2 b ? 12 2 y1 ? x2 2 ? ?0⑤ ? b2 ? a2
1 ? 2 y0 2 x1 ④-⑤得 2 ? 2 ? k ? 0 ⑥ a b

11

由③、⑥知 M、 M ? 均在直线 l ? :

2x 2 y ? ? k ? 0 上,而 M、 M ? 又在直线 l 上 , a2 b2

若 l 过原点,则 B、C 重合于原点,命题成立 若 l 与 x 轴垂直,则由对称性知命题成立 若 l 不过原点且与 x 轴不垂直,则 M 与 M ? 重合 ∴ AB ? CD

12


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