内容正文:
第八节 直线与圆锥曲线的位置关系
1.掌握解决直线与椭圆、双曲线、抛物线的位置关系问题的思想方法.
2.会判断直线与圆锥曲线的位置关系.
回首教材
1.直线与圆锥曲线的位置关系
设直线l:Ax+By+C=0,圆锥曲线C:F(x,y)=0,
由消去y得到关于x的方程ax2+bx+c=0.
(1)当a≠0时,设一元二次方程ax2+bx+c=0的判别式为Δ,则Δ>0⇔直线l与圆锥曲线C有2个公共点;Δ=0⇔直线l与圆锥曲线C有1个公共点;Δ<0⇔直线l与圆锥曲线C有0个公共点.
(2)当a=0,b≠0时,圆锥曲线C为抛物线或双曲线.
当C为双曲线时,l与双曲线的渐近线平行或重合,它们的公共点有1个或0个.
当C为抛物线时,l与抛物线的对称轴平行或重合,它们的公共点有1个.
2.圆锥曲线的弦长公式
设斜率为k的直线l与圆锥曲线C相交于A,B两点,A(x1,y1),B(x2,y2),则|AB|=|x1-x2|=·=|y1-y2|=·.
拓展教材(常见结论及应用)
圆锥曲线中的中点弦的有关结论
设AB为圆锥曲线的弦,点M为弦AB的中点,O为坐标原点:
标准方程
结论
+=1(a>b>0)
kAB·kOM=-
+=1(a>b>0)
kAB·kOM=-
-=1(a>0,b>0)
kAB·kOM=
-=1(a>0,b>0)
kAB·kOM=
y2=2px(p≠0)
kAB=(y0为M的纵坐标)
x2=2py(p≠0)
kAB=(x0为M的横坐标)
发掘教材
A组——教材信息的发掘训练
1.(人B选择性必修①P168例1改编)直线y=3x-1与椭圆+=1的公共点的个数是( )
A.0 B.1
C.2 D.无数个
解析:选C 由消去y并整理得11x2-6x-7=0,显然Δ=(-6)2-4×11×(-7)>0,所以直线y=3x-1与椭圆+=1相交,有2个公共点.
2.(人A选择性必修①P145T4改编)已知直线y=kx-1与双曲线x2-y2=1没有公共点,则k的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(1,+∞)
B.(-1,1)
C.(-∞,-)∪(,+∞)
D.(-,)
解析:选C 联立消去y得(1-k2)x2+2kx-2=0,当1-k2=0时,方程有解,即直线y=kx-1与双曲线x2-y2=1有公共点;当1-k2≠0时,Δ=4k2+8(1-k2)<0,解得k<-或k>.
3.(苏教选择性必修①P128T5)若经过双曲线-=1的一个焦点,且垂直于实轴的直线l与双曲线交于A,B两点,则线段AB的长为________.
解析:双曲线-=1的a=4,b=2,c==2,可得一个焦点为(0,2),直线l:y=2,代入双曲线的方程可得-=1,解得x=±2,则|AB|=4.
答案:4
B组——迷点盲点的澄清训练
1.(忽视相切与交点个数的关系)“直线与双曲线相切”是“直线与双曲线只有一个公共点”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
解析:选A 直线与双曲线相切时,只有一个公共点,但直线与双曲线相交时,也可能有一个公共点,例如与双曲线的渐近线平行的直线与双曲线只有一个交点.故选A.
2.(忽略直线过定点)直线y=kx-k+1与椭圆+=1的位置关系为( )
A.相交 B.相切 C.相离 D.不确定
解析:选A 直线y=kx-k+1=k(x-1)+1恒过定点(1,1),又点(1,1)在椭圆内部,故直线与椭圆相交.故选A.
题点一 直线与圆锥曲线的位置关系的判断(自主练通)
1.已知双曲线-=1与直线y=2x有交点,则双曲线离心率的取值范围为( )
A.(1,) B.(1,]
C.(,+∞) D.[,+∞)
解析:选C 因为双曲线的一条渐近线方程为y=x,则由题意得>2,所以e==>=.
2.(2024·广州模拟)已知以F1(-2,0),F2(2,0)为焦点的椭圆与直线x+y+4=0有且仅有一个公共点,则椭圆的长轴长为( )
A.3 B.2
C.2 D.4
解析:选C 设椭圆方程为mx2+ny2=1(m≠n>0),直线x+y+4=0代入椭圆方程,消去x得(m+n)y2+8my+16m-1=0,Δ=64m2-4(16m-1)(m+n)=0,整理,得m+n=16mn,又c=2,由焦点在x轴上,所以-=4,联立解得m=,n=,故椭圆方程为+=1,则长轴长为2.故选C.
3.若直线y=kx+2与双曲线x2-y2=6的右支交于不同的两点,则k的取值范围是________.
解析:由得(1-k2)x2-4kx-10=0.
设直线与双曲线的右支交于不同的两点A(x1,y1),B(x2,y2),则
解得-<k<-1.
答案:
4.已知直线l:(2m+1)x+(m+1)y=7m+4,椭圆C:+=1.
(1)证明:直线l与椭圆C恒有两个交点;
(2)已知点A(1,0),若P是椭圆C上任意一点,求|PA|的取值范围.
解:(1)证明:由(2m+1)x+(m+1)y=7m+4整理可得m(2x+y-7)+x+y-4=0,
由解得所以直线l过定点(3,1).
又+=<1,所以点(3,1)在椭圆内部,
所以直线l与椭圆C恒有两个交点.
(2)设点P坐标为(x,y),
则y2=16,所以|PA|===.
令t=x2-2x+17,x∈[-5,5],其对称轴为x=,且图象开口向上,所以当x=时,tmin=×2-2×+17=;
当x=-5时,tmax=×(-5)2-2×(-5)+17=36,
所以≤t≤36,所以≤|PA|≤,即≤|PA|≤6.
所以|PA|的取值范围为.
[思维建模]
直线与圆锥曲线位置关系的判定方法
代数法
联立直线与圆锥曲线方程可得到一个关于x,y的方程组,消去y(或x)得一元二次方程,此方程根的个数即为交点个数,方程组的解即为交点坐标
几何法
画出直线与圆锥曲线的图象,根据图象判断公共点的个数
题点二 弦长问题
例1 (2024·洛阳模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,点F1,F2分别为椭圆的左、右焦点,点P在椭圆C上.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点A(1,0),斜率为k的直线交椭圆于M(x1,y1),N(x2,y2)两点,且x1≠x2,△MNF2的面积为,求直线MN的方程.
解:(1)由题意得解得
故椭圆C的标准方程为+=1.
(2)因为直线MN经过点A(1,0),且与椭圆C交于M(x1,y1),N(x2,y2)两点,且x1≠x2.
所以设直线MN的方程为y=k(x-1),
联立
消去y得(9+25k2)x2-50k2x+25k2-225=0,
Δ=2 500k4-4(9+25k2)(25k2-225)=21 600k2+8 100>0,由根与系数的关系得x1+x2=,
x1x2=,
所以|MN|=·
=30·.
由椭圆的方程可知右焦点F2(4,0),所以点F2到直线MN的距离d=,
所以S△MNF2=××30·=.
因为S△MNF2=,
所以=,
所以24k4+9k2=33,即8k4+3k2-11=0,
解得k2=1或k2=-(舍去),则k=±1,所以直线MN的方程为y=x-1或y=-x+1.
[思维建模]
求解直线被椭圆截得的弦长的方法
(1)当弦的两端点坐标易求时,可直接利用两点间的距离公式求解.
(2)当直线的斜率存在时,斜率为k的直线l与椭圆C相交于A(x1,y1),B(x2,y2)两个不同的点,则弦长|AB|==|x1-x2|= ·|y1-y2|(k≠0).
[针对训练]
1.(2024·承德模拟)已知曲线C:x2-y2=1和直线l:y=kx-1.
(1)若直线l与曲线C有两个不同的交点,求实数k的取值范围;
(2)若直线l与曲线C交于A,B两点,O是坐标原点,且△AOB的面积为,求实数k的值.
解:(1)由消去y,得(1-k2)x2+2kx-2=0.
∵直线l与双曲线C有两个不同的交点,
∴解得-<k<,且k≠±1,
∴实数k的取值范围为(-,-1)∪(-1,1)∪(1,).
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2).
由(1)可知x1+x2=-,x1x2=,
∴|AB|=|x1-x2|=·=.
∵点O到直线l的距离d=,
∴S△AOB=·|AB|·d= =,即2k4-3k2=0,∴k=0或k=±.
∴实数k的值为0,,-.
题点三 中点弦问题
例2 (2024·宜宾模拟)已知椭圆+=1(a>b>0)的右焦点为F,离心率为,过点F的直线l交椭圆于A,B两点,若AB的中点为(1,1),则直线l的斜率为( )
A.- B.-
C.- D.1
解析:选A 设A(x1,y1),B(x2,y2),则AB的中点坐标为,由题意可得x1+x2=2,y1+y2=2,将A,B的坐标代入椭圆的方程得作差可得+=0,所以=-·=-.又因为离心率e==,c2=a2-b2,所以=,所以-=-,即直线AB的斜率为-,故选A.
例3 (2024·青岛模拟)已知m,n,s,t为正数,m+n=4,+=9,其中m,n是常数,且s+t的最小值是,点M(m,n)是曲线-=1的一条弦AB的中点,则弦AB所在直线方程为( )
A.x-4y+6=0 B.4x-y-6=0
C.4x+y-10=0 D.x+4y-10=0
快审准解:由已知+=9求出s+t取得最小值时m,n满足的条件,再结合m+n=4求出m,n,再用点差法求出直线的斜率,从而得直线方程.
解析:选A 因为s+t=(s+t)=≥(m+n+2)=,当且仅当=,即s=t时取等号,所以m+n+2=8,又m+n=4,m,n为正数,所以可解得设弦两端点分别为(x1,y1),(x2,y2),则两式相减得-=0,因为x1+x2=4,y1+y2=4,所以k===.所以直线方程为y-2=(x-2),即x-4y+6=0.故选A.
[思维建模]
解决圆锥曲线中与弦的中点有关问题的方法
根与系数的关系法
将直线方程代入圆锥曲线的方程,消元后得到一个一元二次方程,利用根与系数的关系和中点坐标公式建立等式求解
点差法
设出直线l与圆锥曲线C的交点坐标A(x1,y1),B(x2,y2),代入圆锥曲线方程,通过作差,构造出x1+x2,y1+y2,x1-x2,y1-y2,从而建立弦的中点和直线的斜率的关系
[针对训练]
2.(2024·荆州模拟)设双曲线C:-=1(a>0,b>0),M,N是双曲线C上关于坐标原点对称的两点,P为双曲线C上的一动点,若kPM·kPN=4,则双曲线C的离心率为( )
A.2 B.
C. D.5
解析:选C 由题意,设M(x1,y1),P(x2,y2),则N(-x1,-y1),所以kPM·kPN=·=,因为-=1,-=1,所以两式相减可得+=0,即=,因为kPM·kPN=4,所以=4,则e===.故选C.
3.(2024·雅安模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率为,短轴顶点分别为M,N,四边形MF1NF2的面积为32.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)直线l交椭圆C于A,B两点,若AB的中点坐标为(-2,1),求直线l的方程.
解:(1)因为离心率e==,所以a=c,
因为a2=b2+c2,所以b=c.
因为四边形MF1NF2的面积为32,所以2bc=32,所以b=c=4,a=4,
故椭圆C的标准方程为+=1.
(2)由题意得,直线l的斜率存在.
设A(x1,y1),B(x2,y2),则
两式相减得+=0,
所以=-·.
因为AB的中点坐标为(-2,1)在椭圆内部,所以=1,所以直线l的斜率为1,
故直线l的方程为y-1=x+2,即x-y+3=0.
[课时跟踪检测]
1.(2024·连云港模拟)直线y=kx+1与椭圆+y2=1相交于A,B两点,若AB中点的横坐标为1,则k=( )
A.-2 B.-1
C.- D.1
解析:选C 设A(x1,y1),B(x2,y2),把y=kx+1代入+y2=1得(1+4k2)x2+8kx=0,x1+x2=-,因为AB中点的横坐标为1,所以-=1,解得k=-.故选C.
2.直线l过抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点,且与C交于A,B两点,若使|AB|=2的直线l有且仅有1条,则p等于( )
A. B.
C.1 D.2
解析:选C 由抛物线的对称性知,要使|AB|=2的直线l有且仅有1条,则AB必须垂直于x轴,故A,B两点坐标为,代入抛物线方程可解得p=1.
3.直线y=kx+1,当k变化时,此直线被椭圆+y2=1截得的最大弦长是( )
A.2 B.
C.4 D.不能确定
解析:选B 直线恒过定点(0,1),且点(0,1)在椭圆上,可设另外一个交点为(x,y),则弦长为==,当y=-时,弦长最大为.
4.(2024·河南联考模拟)已知直线l:3x+4y-11=0与椭圆C:+=1交于A,B两点,若点P(1,2)恰为弦AB的中点,则椭圆C的离心率是( )
A. B.
C. D.
解析:选A 依题意,直线l的斜率为-,设A(x1,y1),B(x2,y2),则=-,且由两式相减得=-,于是=-·=×=,解得m2=6,此时椭圆C:+=1,显然点P(1,2)在椭圆C内,符合要求,所以椭圆C的离心率e===.故选A.
5.(2024·江西开学考试)已知双曲线E:-=1(a>0,b>0)的离心率为,直线l的斜率为-,且过点M(a,b),直线l与x轴交于点C,点D在E的右支上,且满足=λ,则λ=( )
A. B. C. D.
解析:选D 由题意知e==,∴a=2b,∴M(2b,b),故直线l的方程为y-b=-(x-2b).令y=0,得x=4b,所以C(4b,0).又因为=λ,所以D((2λ+2)b,(1-λ)b),代入-=1,化简得4(λ+1)22-(1-λ)2=1,解得λ=.故选D.
6.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的准线为直线x=-1,焦点为F,直线l1:x-my-=0与C交于P,Q两点(点P在x轴上方),与直线x=-1交于点R,若|QF|=3,则=( )
A. B.
C. D.
快审准解:根据抛物线的焦半径公式和|QF|=3得到xQ=2,联立直线和抛物线方程,根据根与系数的关系得到xP=,然后根据三角形面积得到==.可得答案.
解析:选C 由题可得抛物线方程为y2=4x,所以F(1,0),如图所示,则|QF|=3=xQ+1,解得xQ=2,
联立方程消去y得x2-(4m2+2)x+5=0.可知2xP=5,解得xP=,所以====.故选C.
7.已知椭圆E:+=1(a>b>0)的右焦点为F(3,0),过点F的直线交椭圆E于A,B两点,若AB的中点坐标为(1,-1),则椭圆E的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选A 根据题意设A(x1,y1),B(x2,y2),代入椭圆方程可得
两式相减可得+=0,整理可得=-·.
又因为AB的中点坐标为(1,-1),可得x1+x2=2,y1+y2=-2;
因此过A,B两点的直线斜率kAB==,
又F(3,0)和AB的中点(1,-1)在直线上,所以kAB==,
即=,可得a2=2b2.
又易知c=3,且a2=b2+c2=b2+9,计算可得a2=18,b2=9.
所以椭圆E的方程为+=1,代入AB的中点坐标(1,-1),得+=<1,则其在椭圆内部,则此时直线AB与椭圆相交于两点.故选A.
8.已知椭圆C:+=1与动直线l:y=x+m相交于A,B两点,则实数m的取值范围为________.
解析:联立消去y,
整理可得9x2+6mx+2m2-18=0,
由已知可得Δ=36m2-36(2m2-18)=36(18-m2)>0,解得-3<m<3.
答案:(-3,3)
9.(2024·鞍山模拟)已知椭圆M:+y2=1,直线l:y=k(x+2)(k>0),直线l与椭圆M交于A,B两点,与y轴交于点C,若=2,则k=________.
解析:易知椭圆左顶点为(-2,0),且直线l:y=k(x+2)(k>0)过左顶点,如图所示,所以A(-2,0),不妨设B(x0,y0),C(0,t),t>0,由=2,可得解得将B(x0,y0)代入椭圆方程可得+=1,解得t=,所以k=kAC==.
答案:
10.(2024·昆明模拟)写出一条过点A(1,2)且与抛物线C:y2=4x仅有一个公共点的直线方程______________.
解析:当l平行于x轴时,l与C只有一个公共点,此时方程为y=2;当l与抛物线相切时,l与C只有一个公共点,设直线l方程为x-1=m(y-2),联立方程得y2-4my+8m-4=0,由Δ=(-4m)2-4(8m-4)=0⇒m=1,此时直线l的方程为x-y+1=0.
答案:y=2(或x-y+1=0,答案不唯一)
11.已知抛物线C:y2=3x的焦点为F,斜率为的直线l与C的交点为A,B,与x轴的交点为P.
(1)若|AF|+|BF|=4,求l的方程;
(2)若=3,求|AB|.
解:设直线l:y=x+t,A(x1,y1),B(x2,y2).
(1)由题设得F,
故|AF|+|BF|=x1+x2+.
又|AF|+|BF|=4,所以x1+x2=.
由可得9x2+12(t-1)x+4t2=0,
则x1+x2=-.
从而-=,得t=-.
所以l的方程为y=x-.
(2)由=3可得y1=-3y2.
由可得y2-2y+2t=0,所以y1+y2=2,从而-3y2+y2=2,故y2=-1,y1=3.
代入C的方程得x1=3,x2=.
故|AB|=.
12.(2024·石嘴山模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点M,点F(1,0)是C的一个焦点.
(1)求椭圆C的方程;
(2)已知过点P(0,1)的直线l交x轴于Q点,交椭圆C于A,B两点,若|AP|=|BQ|,求直线l的方程.
解:(1)由题意知,椭圆C的另一个焦点为F1(-1,0),
又M,所以|MF|==,|MF1|==.
由椭圆的定义知,2a=|MF|+|MF1|=4,所以a=2,b2=a2-c2=4-1=3,
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)取PQ的中点E,由|AP|=|BQ|,|PE|=|QE|,得到|AE|=|BE|,所以E是AB的中点,
由题意知,直线l不垂直于x轴,
设直线l:y=kx+1,A(x1,y1),B(x2,y2),则Q,
由消去y得(3+4k2)x2+8kx-8=0,因为E是AB的中点,
所以x1+x2=xQ+xP,
由根与系数的关系得,x1+x2=-=-,解得k=±,
所以直线l的方程为y=±x+1.
13.(2024·沧州模拟)[多选]已知椭圆C:+=1的焦点分别为F1(0,2),F2(0,-2),设直线l与椭圆C交于M,N两点,且点P为线段MN的中点,则下列说法正确的是( )
A.m2=6
B.椭圆C的离心率为
C.直线l的方程为3x+y-2=0
D.△F2MN的周长为4
解析:选AC 如图所示,根据题意,因为焦点在y轴上,所以m2-2=4,则m2=6,故A正确;椭圆C的离心率为e===,故B不正确;不妨设M(x1,y1),N(x2,y2),则+=1,+=1,两式相减得=-,变形得=-3×,又点P为线段MN的中点,所以====1,所以直线l的斜率kl==-3×=-3×1=-3,所以直线l的方程为y-=-3,即3x+y-2=0,故C正确;因为直线l过F1,所以△F2MN的周长为|F2M|+|F2N|+|MN|=(|F2M|+|F1M|)+(|F2N|+|F1N|)=2a+2a=4a=4,故D不正确.故选AC.
14.(2024·广州模拟)[多选]在平面直角坐标系xOy中,已知抛物线C:y2=2x,则( )
A.直线x+y-2=0与抛物线C相交所得弦长为2
B.直线x+y-2=0与抛物线C交于M,N两点,则OM⊥ON
C.过点A(-1,0)恰有2条直线与抛物线C有且只有一个公共点
D.抛物线C上的点到直线x-y+2=0的最短距离为
解析:选ABD 联立直线与抛物线方程得∴y2+2y-4=0,设其交点分别为M(x1,y1),N(x2,y2),则∴其弦长为==2,A正确;kOM·kON====-1,∴OM⊥ON,B正确;过A(-1,0)可作两条切线,和抛物线有一个公共点,但y=0也过该点,同样与抛物线有一个公共点,C错误;设直线x-y+c=0与抛物线相切,与抛物线方程联立得y2-2y+2c=0,则Δ=4-8c=0,∴c=,故切线为x-y+=0,抛物线上的点到直线的最短距离转化为两平行直线间的距离,d==,D正确.故选ABD.
15.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,上顶点为A,过左焦点F1的直线l1与C交于D,E两点,过右焦点F2的直线l2经过A点,且l1⊥l2.若四边形AEF2D的面积为,则C的长轴长为________.
解析:设椭圆C的半焦距为c(c>0),D(x1,y1),E(x2,y2),则=,椭圆C:+=1.由题可知△AF1F2为等边三角形,所以|AF2|=|AF1|=|F1F2|=2c,因为过F1且垂直于AF2的直线与C交于D,E两点,所以kDE=tan 30°=.由线段垂直平分线的性质可得|AD|=|DF2|,|AE|=|EF2|.(提示:垂直平分线上任意一点到线段两端点的距离相等)直线DE的方程为y=(x+c),与C的方程联立化简可得13x2+8cx-32c2=0,由根与系数的关系可得x1+x2=-,x1x2=-,所以|DE|=|x1-x2|=·=·=.
所以S四边形AEF2D=|AF2||DE|==,解得c=1,则a=2.故C的长轴长为2a=4.
答案:4
16.(2024·吉林东北师大附中模拟)已知双曲线C的中心为坐标原点,对称轴为x轴、y轴,且过A(2,0),B(4,3)两点.
(1)求双曲线C的方程;
(2)已知点P(2,1),设过点P的直线l交C于M,N两点,直线AM,AN分别与y轴交于点G,H,当|GH|=6时,求直线l的斜率.
解:(1)设双曲线C的方程为mx2+ny2=1,由双曲线C过A(2,0),B(4,3)两点,得解得
所以双曲线C的方程为-=1.
(2)由题意可设过点P的直线方程为
y=k(x-2)+1,
由消去y,得(3-4k2)x2-8k(1-2k)x-16k2+16k-16=0,
则3-4k2≠0且Δ=[-8k(1-2k)]2-4(3-4k2)·(-16k2+16k-16)=192(1-k)>0,解得k<1且k≠±. ①
设M(x1,y1),N(x2,y2),
则有 ②
设直线AM的方程为y=(x-2),令x=0,
得yG=,所以直线AM与y轴交点G的坐标为,
同理可得直线AN的方程为y=(x-2),令x=0得yH=,所以直线AN与y轴交点H的坐标为.
由题意可知
|GH|=|yG-yH|==6,
所以=3,
=3,
整理得=3,
所以=3,
即=3|x1x2-2(x1+x2)+4|,
所以(x1+x2)2-4x1x2=9[x1x2-2(x1+x2)+4]2, ③
将②代入③得2-4×=
92,
整理得192(1-k)=9×(-4)2,
解得k=,满足①式.
综上,直线l的斜率为.
学科网(北京)股份有限公司
$$