内容正文:
第2课时
第三章
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直线与抛物线的位置关系
1.了解抛物线的简单应用.
2.掌握直线与抛物线的位置关系及相关问题.(难点)
学习目标
上节课我们研究了抛物线的简单几何性质,这节课我们继续探究直线与抛物线的位置关系及弦长问题.
导 语
一、直线与抛物线的位置关系
二、弦长问题
课时对点练
三、抛物线的中点弦问题
随堂演练
内容索引
直线与抛物线的位置关系
一
提示 如图所示,抛物线与直线有三种位置关系:相交、相切、相离.
类比椭圆、双曲线与直线的位置关系,探究抛物线与直线的位置关系.
问题1
设直线l:y=kx+m,抛物线:y2=2px(p>0),将直线方程与抛物线方程联立整理成关于x的方程k2x2+2(km-p)x+m2=0.
(1)若k≠0,当 时,直线与抛物线相交,有两个交点;
当 时,直线与抛物线相切,有一个切点;
当 时,直线与抛物线相离,没有公共点.
(2)若k=0,直线与抛物线有 交点,此时直线平行于抛物线的对称轴或与对称轴重合.
Δ>0
Δ=0
Δ<0
一个
知识梳理
(1)直线与抛物线有一个公共点是直线与抛物线相切的必要不充分条件.
(2)研究直线与抛物线的位置关系时要注意直线斜率不存在的情况.
注 意 点
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8
已知直线l:y=kx+1,抛物线C:y2=4x,当k为何值时,l与C:只有一个公共点;有两个公共点;没有公共点.
例 1
9
得k2x2+(2k-4)x+1=0.(*)
此时直线l平行于x轴.
当k≠0时,(*)式是一个一元二次方程,
Δ=(2k-4)2-4k2=16(1-k).
10
①当Δ>0,即k<1,且k≠0时,
l与C有两个公共点,此时直线l与C相交;
②当Δ=0,即k=1时,l与C有一个公共点,此时直线l与C相切;
③当Δ<0,即k>1时,l与C没有公共点,此时直线l与C相离.
综上所述,当k=1或0时,l与C有一个公共点;
当k<1,且k≠0时,l与C有两个公共点;
当k>1时,l与C没有公共点.
11
判断直线与抛物线的位置关系的方法:联立方程组消元,当二次项系数不等于零时,用判别式Δ来判定;当二次项系数等于零时,直线与抛物线相交于一点.
反
思
感
悟
12
过点(2,-1)且与抛物线y=x2只有一个公共点的直线共有
A.1条 B.2条
C.3条 D.4条
跟踪训练 1
√
13
即过点(2,-1)的切线有2条,
综上可得,过点(2,-1)且与抛物线y=x2有且只有一个公共点的直线共有3条.
(1)当过点(2,-1)的直线斜率不存在时,显然直线x=2与抛物线y=x2有且只有一个公共点;
(2)当直线过点(2,-1)且斜率存在,且与抛物线相切时,
直线与抛物线只有一个公共点,
设直线方程为y+1=k(x-2),代入到抛物线方程 y=x2,
消去y得x2-kx+2k+1=0,
14
二
弦长问题
提示 1.利用弦长公式.
2.根据抛物线的定义|AB|=x1+x2+p.
过抛物线y2=2px(p>0)的焦点的直线交抛物线于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,那么线段AB叫做焦点弦,如图.如何求弦AB的长度?
问题2
已知抛物线方程为y2=2px(p>0),过此抛物线的焦点的直线与抛物线交于A,B两点,且|AB|= ,求AB所在的直线方程.
例 2
17
所以弦所在的直线的斜率存在且不为0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
18
所以k=±2,
所以所求直线方程为2x-y-p=0或2x+y-p=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
19
所以直线AB的斜率存在,设为k,
消去x,整理得ky2-2py-kp2=0.
20
解得k=±2.
所以AB所在的直线方程为2x-y-p=0
或2x+y-p=0.
21
延伸探究
若本例条件不变,求弦AB的中点M到y轴的距离.
22
(2)焦点弦长:在抛物线y2=2px(p>0)中,设过焦点的弦的端点为A(x1,y1),B(x2,y2),则|AB|=x1+x2+p.
求抛物线弦长的方法
反
思
感
悟
23
(1)若抛物线y2=12x与直线2x+y-4=0交于A,B两点,则|AB|等于
跟踪训练 2
√
设A(x1,y1),B(x2,y2),
∴x1+x2=7,x1x2=4,
24
(2)若直线y=kx-2与抛物线y2=8x交于A,B两点,|AB|=8,则k=______.
2
25
若k=0,此时y=kx-2与抛物线y2=8x只有1个交点,不符合题意,故k≠0,
由Δ=(4k+8)2-16k2=64k+64>0,解得k>-1,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
因为|AB|=x1+x2+4=8,
26
抛物线的中点弦问题
三
过点Q(4,1)作抛物线y2=8x的弦AB,恰被点Q所平分,求AB所在直线的方程.
∴(y1+y2)(y1-y2)=8(x1-x2).
又y1+y2=2,∴y1-y2=4(x1-x2),
例 3
∴AB所在直线的方程为y-1=4(x-4),即4x-y-15=0.
28
方法二 (一般法)由题意知AB所在直线斜率存在,设A(x1,y1),B(x2,y2),弦AB所在直线的方程为y=k(x-4)+1.
此方程的两根就是线段端点A,B的纵坐标.
又y1+y2=2,∴k=4,
∴AB所在直线的方程为y=4(x-4)+1,即4x-y-15=0.
29
解决中点弦问题常用方法
反
思
感
悟
30
已知抛物线C的顶点在坐标原点,焦点为F(1,0),直线l与抛物线C相交于A,B两点,若弦AB的中点为(2,2),则抛物线的方程为________,直线l的方程为__________.
y2=4x
跟踪训练 3
x-y=0
31
由题意知抛物线的方程为y2=4x,设直线l与抛物线C的交点为A(x1,y1),B(x2,y2),
所以直线l的方程为y-2=x-2,即x-y=0.
32
1.知识清单:
(1)直线和抛物线的位置关系.
(2)抛物线中的弦长问题.
(3)中点弦问题.
2.方法归纳:直接法、定义法、代数法.
3.常见误区:轨迹方程的等价性;数学运算的失误.
课堂小结
随堂演练
四
1
2
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4
1.已知直线l与抛物线x2=2py(p>0)只有一个公共点,则直线l与抛物线的位置关系是
A.相交 B.相切
C.相离 D.相交或相切
√
当直线l与y轴平行或重合时,直线l与抛物线x2=2py(p>0)只有一个公共点,此时直线l与抛物线相交;当直线l的斜率存在,直线l与抛物线x2=2py(p>0)只有一个公共点时,直线l与抛物线相切.
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2.过原点且与抛物线y2=x只有一个公共点的直线有
A.1条 B.2条 C.3条 D.无数条
√
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4
当直线的斜率不存在时,直线的方程为x=0,直线与抛物线只有一个公共点,满足题意.
当k=0时,直线的方程为y=0,直线与抛物线只有一个公共点,满足题意;
当k≠0时,Δ=1>0,此时直线与抛物线有两个公共点,不满足题意.故过原点且与抛物线y2=x只有一个公共点的直线有2条.
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4
3.若直线x-y=2与抛物线y2=4x交于A,B两点,则线段AB的中点坐标是_______.
得x2-8x+4=0,Δ>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=8,y1+y2=x1+x2-4=4,
故线段AB的中点坐标为(4,2).
(4,2)
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4
4.直线y=kx+2与抛物线y2=8x有且只有一个公共点,则k=______.
当k=0时,直线与抛物线有唯一交点,
当k≠0时,联立方程消去y,
得k2x2+4(k-2)x+4=0,
由题意得Δ=16(k-2)2-16k2=0,
∴k=1.
综上,k=0或k=1.
0或1
课时对点练
五
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基础巩固
1.过抛物线C:y2=12x的焦点作直线l交C于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,若x1+x2=6,则|AB|等于
A.16 B.12 C.10 D.8
√
由题意得p=6,
∴|AB|=x1+x2+p=6+6=12.
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2.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,若直线x=4与C交于A,B两点,且|AB|=8,则|AF|等于
A.4 B.5 C.6 D.7
√
令x=4,则y2=8p,
所以p=2,故准线方程为x=-1,
则|AF|=4-(-1)=5.
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3.设O为坐标原点,直线x=2与抛物线C: y2=2px(p>0)交于D,E两点,若OD⊥OE,则C的标准方程为
A.y2=8x B.y2=2x
C.y2= D.y2=x
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抛物线C:y2=2px(p>0),令x=2得y2=4p,
因为OD⊥OE,
解得p=1,故C的标准方程为y2=2x.
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4.抛物线y=-x2上的点到直线4x+3y-8=0的距离的最小值是
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方法一 设与抛物线相切的直线,
且与直线4x+3y-8=0平行的直线方程为4x+3y+m=0.
与抛物线y=-x2联立,消去y可得3x2-4x-m=0,
由题意知,Δ=16+12m=0,
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方法二 设抛物线y=-x2上一点为(m,-m2),
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5.设抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,过F且斜率为1的直线与抛物线相交于A,B两点,若线段AB的中点为E,O为坐标原点,且|OE|= ,则p等于
A.2 B.3 C.6 D.12
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设A(x1,y1),B(x2,y2),
因为E为线段AB的中点,
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6.(多选)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点F到准线l的距离为2,则
A.焦点F的坐标为(1,0)
B.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
C.直线x+y-1=0与抛物线C相交所得弦长为8
D.若抛物线C与圆x2+y2=5交于M,N两点,则|MN|=4
√
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由题可知抛物线C的方程为y2=4x.对于A,焦点F的坐标为(1,0),故A正确;
对于B,过点A(-1,0)可作抛物线的2条切线,且直线y=0与抛物线C有且只有一个公共点,故过点A(-1,0)共有3条直线与抛物线C有且只有一个公共点,故B错误;
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设弦的两个端点分别为D(x1,y1),E(x2,y2),
则y1+y2=-4,y1y2=-4,
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解得x=1或x=-5(舍去),
将x=1代入y2=4x,得y=±2,
故交点为(1,±2),
所以|MN|=4,故D正确.
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7.已知抛物线C:x2=4y,F为其焦点,若直线l:y= +1与抛物线C在第一象限交于点M,则|MF|等于
A.1 B.2 C.3 D.4
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由题意得F(0,1),p=2,准线方程为y=-1,
即直线l过点F(0,1),
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8.已知过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F且斜率为1的直线交抛物线于A,B两点,|AF|·|BF|=16,则p的值为
A.2 B.4 C. D.8
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9.已知y=x+m与抛物线y2=8x交于A,B两点.
(1)若|AB|=10,求实数m的值;
由Δ=(2m-8)2-4m2=64-32m>0,得m<2.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=8-2m,x1x2=m2,y1y2=m(x1+x2)+x1x2+m2=8m.
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(2)若OA⊥OB,求实数m的值.
因为OA⊥OB,所以x1x2+y1y2=m2+8m=0,
解得m=-8或m=0(舍去).
所以m=-8,经检验符合题意.
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10.如图,已知抛物线y2=4x,其焦点为F.
(1)求以M(1,1)为中点的抛物线的弦所在的直线方程;
由题意知,中点弦所在的直线斜率存在.
设所求直线交抛物线于P(x1,y1),Q(x2,y2),
∴所求直线方程为2x-y-1=0.
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(2)若互相垂直的直线m,n都经过抛物线y2=4x的焦点F,且与抛物线相交于A,B两点和C,D两点,求四边形ACBD面积的最小值.
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消去y,整理得k2x2-(2k2+4)x+k2=0,
同理可得|CD|=4k2+4,
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综合运用
11.设抛物线y2=4x上一点P到y轴的距离为d1,到直线l:3x+4y+12=0的距离为d2,则d1+d2的最小值为
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得3y2+16y+48=0,Δ=256-12×48<0,故方程无解,
∴直线3x+4y+12=0与抛物线相离.
又d1+d2=d1+1+d2-1,而d1+1为P到准线x=-1的距离,
故d1+1为P到焦点F(1,0)的距离,
从而d1+1+d2的最小值为点F到直线3x+4y+12=0的距离,
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抛物线y2=4x的焦点为F(1,0),准线方程为x=-1.
∵点M在x轴的上方,
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∵MN⊥l,
|MF|=|MN|=3+1=4.
∴△MNF是边长为4的等边三角形.
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13.M是抛物线y2=x上一点,N是圆(x+1)2+(y-4)2=1关于直线x-y+1=0的对称曲线C上的一点,则|MN|的最小值是
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设圆心(-1,4)关于直线x-y+1=0对称的点为C(x,y),
曲线C为(x-3)2+y2=1,设M(a2,a),
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14.已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,过F的直线l交C于A,B两点,y轴被以AB为直径的圆所截得的弦长为6,则|AB|=_____.
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抛物线C:y2=4x的焦点为F(1,0),
易知当直线l的斜率不存在时不满足题意,
故设直线AB的方程为y=k(x-1),
设A(x1,y1),B(x2,y2).
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拓广探究
15.抛物线有如下光学性质:由其焦点射出的光线经抛物线反射后,沿平行于抛物线对称轴的方向射出.现有抛物线y2=2px(p>0),如图,一平行于x轴的光线射向抛物线上的点P,反射后又射向
抛物线上的点Q,再反射后又沿平行于x轴的方向
射出,且两平行光线间的最小距离为3,则抛物
线的方程为________.
y2=3x
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当直线PQ的斜率不存在时,易得|PQ|=2p;
当直线PQ的斜率存在时,
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整理得4k2x2-(4k2p+8p)x+k2p2=0,
综上,当直线PQ与x轴垂直时,弦长最短,
又因为两平行光线间的最小距离为3,故2p=3,
所以抛物线的方程为y2=3x.
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16.如图,已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,若过点F且斜率为1的直线与抛物线相交于M,N两点,且|MN|=8.
(1)求抛物线C的方程;
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代入y2=2px(p>0),
设M(x1,y1),N(x2,y2),
则有x1+x2=3p.
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设直线l的方程为y=x+b,代入y2=4x,
得x2+(2b-4)x+b2=0.
∵直线l为抛物线C的切线,
∴Δ=0,解得b=1.
∴直线l的方程为y=x+1.
由(1)可知x1+x2=6,x1x2=1.
设P(m,m+1),
∵x1+x2=6,x1x2=1,
∴(y1y2)2=16x1x2=16,y1y2=-4.
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联立消去y,
当k=0时,(*)式只有一个解x=,
此时直线l与C只有一个公共点,
则Δ=k2-4(2k+1)=0,解得k=4±2,
p
消去y可得k2x2-(k2p+2p)x+k2p2=0,
方法一 因为过焦点的弦长为|AB|=p,
设直线方程为y=k,
联立
若AB⊥x轴,则|AB|=2p≠p,不满足题意.
则x1+x2=,
所以|AB|=x1+x2+p=+p=,
方法二 由题意知焦点F,
则直线AB的方程为y=k,k≠0.
由
由根与系数的关系得y1+y2=,y1y2=-p2.
所以|AB|==·
=2p=p,
则梯形ABDC的中位线|ME|=p,
所以点M到y轴的距离为p-=p.
如图,过A,B,M分别作准线x=-的垂线交准线于点C,D,E.
由定义知|AC|+|BD|=p,
(1)统一弦长公式:|AB|=|x1-x2|或|AB|=|y1-y2|.
A.2 B.12 C. D.13
由得x2-7x+4=0,
∴|AB|=|x1-x2|=×=.
联立整理得k2x2-(4k+8)x+4=0,
则x1+x2=,
故=4,解得k=-1(舍去)或k=2,所以k=2.
方法一 (点差法)设以Q为中点的弦AB的端点坐标为A(x1,y1),B(x2,
y2),则有y=8x1,y=8x2,
即=4,∴kAB=4,
联立消去x得ky2-8y-32k+8=0,
由根与系数的关系得y1+y2=,
则有且x1≠x2,
两式相减得y-y=4(x1-x2),因为AB的中点为(2,2),所以y1+y2=4,所以==1,
当直线的斜率存在时,设直线的方程为y=kx,由得k2x2-x=0.
由
故y=±2,
所以|AB|=4=8,
x
解得y=±2,
不妨设D(2,2),E(2,-2),
所以·=2×2-4p=0,
A. B. C. D.3
∴m=-.
∴最小值为两平行线之间的距离d==.
该点到直线4x+3y-8=0的距离为,当m=时,取得最小值.
由题意可知F,
则直线AB为y=x-,
由题意得相减得,
y-y=2p(x1-x2)⇒y1+y2=2p,
所以E,即E,
因为E在直线AB:y=x-上,所以E,
又因为|OE|=,所以p=2.
对于C,由得y2+4y-4=0,
所以弦长|DE|=|y1-y2|=·
=×=8,故C正确;
对于D,由得x2+4x-5=0,
x
对于直线l:y=x+1,当x=0时,y=1,
联立得3y2-10y+3=0,
解得y=3或y=,
由于M在第一象限,且l:y=x+1的斜率大于0,
故M的纵坐标为3,则|MF|=yM+=3+1=4.
2
抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,
准线方程为x=-,设A(x1,y1),B(x2,y2),
∴直线AB的方程为y=x-,
代入y2=2px可得x2-3px+=0,
∴x1+x2=3p,x1x2=,
由抛物线的定义可知,|AF|=x1+,
|BF|=x2+,
∴|AF|·|BF|==x1x2+(x1+x2)+
=+p2+=2p2=16,
解得p=2.
由得x2+(2m-8)x+m2=0.
因为|AB|==·=10,
所以m=,经检验符合题意.
则y=4x1,y=4x2,kPQ===2,
依题意知,直线m,n的斜率存在且均不为0,设直线m的方程为y=k(x-1),与抛物线方程联立,得
设其两根为x3,x4,则x3+x4=+2.
由抛物线的定义可知,|AB|=2+x3+x4=+4,
∴四边形ACBD的面积S=(4k2+4)·=8≥32,当且仅当k=±1时等号成立,此时所求四边形ACBD面积的最小值为32.
A.2 B. C. D.3
由
即=3,故d1+d2的最小值为2.
12.过抛物线C:y2=4x的焦点F,且斜率为的直线交C于点M(M在x轴的上方),l为C的准线,点N在l上,且MN⊥l,则M到直线NF的距离为
A. B.2 C.2 D.3
由直线方程的点斜式可得直线MF的方程为y=(x-1).
联立方程组
解得或
∴M(3,2).
∴N(-1,2).
∴|NF|==4,
∴点M到直线NF的距离为2.
A.2 B.-1 C. D.-1
则解得
故|MC|===,当a2=时,|MC|有最小值,故|MN|的最小值为-1.
则即k2x2-(2k2+4)x+k2=0,
故x1+x2=,
故AB中点的横坐标为==1+,
|AB|=x1+x2+p=+2.
故2=32+2,
解得k2=,
故|AB|=+2=10.
由抛物线的光学性质可得,PQ必过抛物线的焦点F.
设PQ的方程为y=k,
P(x1,y1),Q(x2,y2),联立
得k2=2px,
所以x1+x2=p+,x1x2=.
所以|PQ|=x1+x2+p=2p>2p.
由题意可知F,
则该直线方程为y=x-,
得x2-3px+=0.
(2)设直线l为抛物线C的切线,且l∥MN,P为l上一点,求·的最小值.
则=(x1-m,y1-(m+1)),=(x2-m,y2-(m+1)),
∴·=1-6m+m2-4-4(m+1)+(m+1)2=2(m2-4m-3)=2[(m-2)2
-7]≥-14,当且仅当m=2,即点P的坐标为(2,3)时,·取得最小
值,最小值为-14.
∴·=(x1-m)(x2-m)+[y1-(m+1)]·[y2-(m+1)]=x1x2-m(x1+x2)+m2+y1y2-(m+1)(y1+y2)+(m+1)2.
∵y-y=4(x1-x2),
∴y1+y2=4×=4,
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