第55讲 直线与圆锥曲线的位置关系(教师版)备战2021年新高考数学微专题讲义
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1、 第 1 页 / 共 20 页 第第 55 讲讲 直线与圆锥曲线的位置关系直线与圆锥曲线的位置关系 一、课程标准 1. 会判断直线与圆锥曲线的位置关系 2. 会求直线与圆锥曲线相交时的弦长 3. 求圆锥曲线的中点弦 二、基础知识回顾 1、直线与圆锥曲线的位置关系 判断直线 l 与圆锥曲线 C 的位置关系时,通常将直线 l 的方程 AxByC0(A,B 不同时为 0)代入圆 锥曲线 C 的方程 F(x,y)0,消去 y(或 x)得到一个关于变量 x(或 y)的一元方程 例:由 0 ,0 AxByC F x y ,消去 y,得 ax2bxc0. (1)当 a0 时,设一元二次方程 ax2bxc0
2、的判别式为 ,则: 0直线与圆锥曲线 C 相交; 0直线与圆锥曲线 C 相切; 0,即 k 3 2 时,方程有两个不同的实数根,可知原方程组有两组不同的实数解,这 时直线 l 与椭圆 C 有两个不重合的公共点 (2) 当 0,即 k 3 2 时,方程有两个相同的实数根,可知原方程组有两组相同的实数解,这时直线 l 与椭圆 C 有两个互相重合的公共点,即直线 l 与椭圆 C 有且只有一个公共点 (3) 当 0,即 3 2 k 3 2 时,方程没有实数根,可知原方程组没有实数解,这时直线 l 与椭圆 C 没有 公共点 变式 1、若直线 l:ykx2 与曲线 C:y2x 恰好有一个公共点,求实数 k
3、 的取值集合 【解析】 因为直线 l 与曲线 C 只有一个公共点, 所以方程组 ykx2, y2x 有唯一一组实数解, 消去 y,并整理得 k2x2(4k1)x40. 当 k0 时,解得 x4, 这时,原方程组有唯一解 x4, y2; 当 k0 时,(4k1)24 4k28k1, 第 4 页 / 共 20 页 令 0,解得 k1 8,此时原方程组有唯一解 综上,实数 k 的取值集合是 0,1 8 . 变式 2 若直线 ykx2 与双曲线 x2y26 的右支交于不同的两点,则实数 k 的取值范围是_ 【答案】 15 3 ,1 【解析】 联立 ykx2, x2y26,消去 y 并整理,得(1k 2
4、)x24kx100. 设直线与双曲线右支交于不同的两点 A(x1,y1),B(x2,y2), 则 1k20, k0,解得 m0,解得 t1 3, 所以 y1y22,y1y13t. 因为AP 3PB,所以 y 13y2, 所以 y21,y13,所以 y1y23, 则 AB14 9 (y1y2) 24y 1y2 13 3 4124 13 3 . 方法总结;(1)涉及弦长的问题中,应熟练地利用根与系数的关系、设而不求法计算弦长 (2)涉及垂直关系时也往往利用根与系数的关系、设而不求法简化运算 (3)涉及过焦点的弦的问题,可考虑用圆锥曲线的定义求解 考点三 求圆锥曲线的中点弦 例 3、已知椭圆 E:x
5、 2 a2 y2 b21(ab0)的离心率为 1 2,点 A,B 分别为椭圆 E 的左、右顶点,点 C 在 E 上, 且ABC 面积的最大值为 2 3. (1)求椭圆 E 的方程; (2)设 F 为 E 的左焦点,点 D 在直线 x4 上,过 F 作 DF 的垂线交椭圆 E 于 M,N 两点证明:直 线 OD 平分线段 MN. 第 8 页 / 共 20 页 【解析】(1)由题意得 ec a 1 2, ab2 3, a2b2c2, 解得 a2, b 3, 故椭圆 E 的方程为x 2 4 y2 31. (2)证明:设 M(x1,y1),N(x2,y2),D(4,n),线段 MN 的中点 P(x0,
6、y0),则 2x0 x1x2,2y0y1y2, 由(1)可得 F(1,0),则直线 DF 的斜率为 kDF 0 41 n n 3,当 n0 时,直线 MN 的斜率不存在,根 据椭圆的对称性可知 OD 平分线段 MN;当 n0 时,直线 MN 的斜率 kMN3 n y1y2 x1x2.因为点 M,N 在椭圆 E 上,所以 x21 4 y21 31, x22 4 y22 31, 整理得(x1x2)(x1x2) 4 (y1y2)(y1y2) 3 0,又 2x0 x1x2,2y0y1 y2,所以y0 x0 n 4,即直线 OP 的斜率为 kO P n 4,因为直线 OD 的斜率为 kOD n 4,所以
7、直线 OD 平分线 段 MN. 变式 1、 已知 P(1,1)为椭圆x 2 4 y 2 21 内的一点,经过点 P 引一条弦交椭圆于 A,B 两点,且此弦被点 P 平分,则此弦所在直线的方程为 【答案】 x2y30 【解析】 方法一:易知此弦所在直线的斜率存在, 所以设其方程为 y1k(x1), A(x1,y1),B(x2,y2)联 立 y1k(x1), x2 4 y 2 2 1, 消去y并整理, 得(2k21)x24k(k1)x2(k22k1)0, 所以x1x24k(k1) 2k21 . 又因为 x1x22, 所以4k(k1) 2k21 2,解得 k1 2,故此弦所在的直线方程为 y1 1
8、2(x1),即 x2y30. 方法二:易知此弦所在直线的斜率存在,所以设斜率为 k,A(x1,y1),B(x2,y2),则x 2 1 4 y 2 1 2 1, x22 4 y 2 2 2 1,由,得(x1x2)(x1x2) 4 (y1y2)(y1y2) 2 0,因为 x1x22,y1y2 2,所以x1x2 2 y1y20,所以 ky1y2 x1x2 1 2,所以此弦所在的直线方程为 y1 1 2(x1),即 x 2y30. 变式 2、已知椭圆 E:x 2 a2 y2 b21(ab0)的离心率为 1 2,点 A,B 分别为椭圆 E 的左、右顶点,点 C 在椭圆 E 上,且ABC 面积的最大值为
9、2 3. (1) 求椭圆 E 的方程; 第 9 页 / 共 20 页 (2) 设 F 为椭圆 E 的左焦点,点 D 在直线 x4 上,过点 F 作 DF 的垂线交椭圆 E 于 M,N 两点证 明:直线 OD 平分线段 MN. 【解析】 (1) 由题意得 ec a 1 2, ab2 3, a2b2c2, 解得 a2, b 3,故椭圆 E 的方程为 x2 4 y 2 3 1. (2) 设 M(x1,y1),N(x2,y2),D(4,n),线段 MN 的中点 P(x0,y0), 则 2x0 x1x2,2y0y1y2. 由(1) 可得 F(1,0), 则直线 DF 的斜率为 kDF n0 4(1) n
10、 3, 当 n0 时,直线 MN 的斜率不存在, 根据椭圆的对称性可知 OD 平分线段 MN; 当 n0 时,直线 MN 的斜率 kMN3 n y1y2 x1x2. 因为点 M,N 在椭圆 E 上,所以 x21 4 y 2 1 31, x22 4 y22 3 1, 由, 得(x1x2)(x1x2) 4 (y1y2)(y1y2) 3 0, 又 2x0 x1x2,2y0y1y2, 所以y0 x0 n 4,直线 OP 的斜率为 kOP n 4, 因为直线 OD 的斜率为 kODn 4, 所以直线 OD 平分线段 MN. 方法总结:(1)处理有关中点弦及对应直线斜率关系的问题时,常用“点差法”,步骤如
11、下: 设点:设出弦的两端点坐标;代入:代入圆锥曲线方程;作差:两式相减,再用平方差公式把 上式展开;整理:转化为斜率与中点坐标的关系式,然后求解 (2)“点差法”的常见题型有:求中点弦方程、求(过定点、平行弦)弦中点轨迹、垂直平分线问题由于“点差 法”具有不等价性,所以在使用时要考虑判别式 是否为正数 考点四 圆锥曲线中的最值问题 例 4、已知动圆过定点(2,0),且在 y 轴上截得的弦长为 4,设动圆圆心的轨迹为 H,点 E(m,0)(m0)为一个 第 10 页 / 共 20 页 定点,过点 E 作斜率分别为 k1,k2的两条直线交 H 于点 A,B,C,D,且 M,N 分别是线段 AB,C
12、D 的中 点 (1)求轨迹 H 的方程; (2)若 m1,且过点 E 的两条直线相互垂直,求EMN 的面积的最小值 【解析】(1)设动圆圆心的坐标为(x,y),由题意可以得到 2 2 2xy x24,化简得 y24x,所 以动圆圆心的轨迹 H 的方程为 y24x. (2)当 m1 时,E 为抛物线 y24x 的焦点,因为 k1k21,所以 ABCD.设直线 AB 的方程为 yk1(x 1),A(x1,y1),B(x2,y2) 由 1 2 1 4 yk x yx ,得 k1y24y4k10,则 y1y2 4 k1,y1y24,x1x2 y1y2 k1 24 k212. 因为 M x1x2 2 ,
13、y1y2 2 ,所以 M 2 k211, 2 k1 . 同理,可得 N(2k211,2k1) 所以 SEMN1 2|EM| |EN| 1 2 2 k21 2 2 k1 2 2 2 2 11 22kk 2k21 1 k2122 224,当且仅当 k21 1 k21,即 k1 1 时,EMN 的面积取最小值 4. 变式 1、已知动圆过定点 A(2,0),且在 y 轴上截得的弦长为 4,设动圆圆心的轨迹为 H,点 E(m,0)(m0) 为一个定点,过点 E 作斜率分别为 k1,k2的两条直线交 H 于点 A,B,C,D,且 M,N 分别是线段 AB, CD 的中点 (1) 求轨迹 H 的方程; (2
14、) 若 m1,且过点 E 的两条直线相互垂直,求EMN 的面积的最小值; (3) 若 k1k21,求证:直线 MN 过定点 【解析】 (1) 设动圆圆心的坐标为(x,y), 由题意知 (x2)2y2 x24, 化简得 y24x, 所以动圆圆心的轨迹 H 的方程为 y24x. (2) 当 m1 时,E 为抛物线 y24x 的焦点, 第 11 页 / 共 20 页 因为 ABCD,所以 k1k21. 设直线 AB 的方程为 yk1(x1),A(x1,y1),B(x2,y2) 联立 yk1(x1), y24x, 消去 x 并整理,得 k1y24y4k10, 则 y1y2 4 k1,y1y24,x1x
15、2 y1y2 k1 2 4 k212. 因为 M x1x2 2 ,y1y2 2 ,所以 M 2 k211, 2 k1 . 同理,可得 N(2k211,2k1) 所以 SEMN1 2EM EN 1 2 2 k21 2 2 k1 2 (2k21)2(2k1)2 2k21 1 k2122 224, 当且仅当 k21 1 k21,即 k1 1 时,EMN 的面积取最小值 4. (3) 设直线 AB 的方程为 yk1(xm),A(x1,y1),B(x2,y2) 联立 yk1(xm), y24x, 消去 x 并整理,得 k1y24y4k1m0, 则 y1y2 4 k1,y1y24m, x1x2y1y2 k
16、1 2m 4 k212m. 因为 M x1x2 2 ,y1y2 2 ,所以 M 2 k21m, 2 k1 . 同理,可得 N 2 k22m, 2 k2 , 所以 kMN k1k2 k1k2k1k2, 所以直线 MN 的方程为 y 2 k1k1k2 x 2 k21m , 即 yk1k2(xm)2, 所以直线 MN 过定点(m,2) 变式 2、已知椭圆 C:y 2 a2 x2 b21(ab0)的短轴长为 2,且椭圆 C 的顶点在圆 M:x 2 y 2 2 2 1 2上 (1)求椭圆 C 的方程; 第 12 页 / 共 20 页 (2)过椭圆的上焦点作相互垂直的弦 AB,CD,求|AB|CD|的最小
17、值 【解析】(1)由题意可知 2b2,b1.又椭圆 C 的顶点在圆 M 上,则 a 2,故椭圆 C 的方程为y 2 2 x21. (2)当直线 AB 的斜率不存在或为零时,|AB|CD|3 2;当直线 AB 的斜率存在,且不为零时,设直 线 AB 的方程为 ykx1,A(x1,y1),B(x2,y2),联立 ykx1, y2 2 x21,消去 y,整理得 (k22)x22kx10,则 x1x2 2k k22,x1x2 1 k22,故|AB| 1k 2 (x1x2)24x1x22 2(k 21) k22 . 同理可得|CD|2 2(k 21) 2k21 ,|AB|CD| 6 2(k21)2 (2
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