内容正文:
进阶点7 圆锥曲线中的常用结论
圆锥曲线是高中数学的重要内容之一,知识的综合性较强,因而解题时需要运用多种基础知识,采用多种数学手段,熟记各种定义、基本公式.法则固然很重要,但要做到迅速、准确地解题,还要掌握一些常用结论,理解各结论之间的联系与区别,正确灵活地运用这些结论,一些复杂的问题便能迎刃而解.
类型一 圆锥曲线的其他定义
1.第二定义:到定点的距离与到定直线的距离之比为常数e的点的轨迹.
当0<e<1时为椭圆;
当e=1时为抛物线;
当e>1时为双曲线.
(1)焦半径:椭圆上的点到焦点的距离,设P(x0,y0)为椭圆上的一点,
①焦点在x轴:焦半径(左加右减);
②焦点在y轴:焦半径(下加上减).
(2)焦半径,设P(x0,y0)为双曲线上的一点,
①焦点在x轴:P在左支P在右支
②焦点在y轴:P在下支P在上支
2.第三定义:已知点A,B是关于原点对称的两个点,动点P不与A,B重合,且kPAkPB=e2-1(e为常数),
则当0<e<1时,动点P的轨迹为椭圆的一部分;
当e>1时,动点P的轨迹为双曲线的一部分.
例1 (1)(2022·全国甲卷)椭圆C:+=1(a>b>0)的左顶点为A,点P,Q均在C上,且关于y轴对称.若直线AP,AQ的斜率之积为,则C的离心率为(A)
A. B. C. D.
解析 已知A(-a,0),设P(x0,y0),则Q(-x0,y0),kAP=,kAQ=,故kAP·kAQ=·== ①,因为+=1,即y= ②,②代入①整理得:=,e===.故选A.
(2)(2025·嘉兴模拟)已知F1和F2是双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P是C上一点,当∠F1PF2=60°时,|OP|=b,则C的离心率为(C)
A. B. C. D.
解析 不妨设|PF1|>|PF2|,即P在双曲线右支上,(焦半径+极化恒等式):|PF1|=ex0+a,|PF2|=ex0-a,·=|PF1|·|PF2|cos 60°=|OP|2-|OF1|2,化简得:e2x=10b2-2c2+a2 ①,根据中线定理|PF1|2+|PF2|2=2(|OP|2+|OF2|2),化简得:e2x=5b2+c2-a2 ②,由①②得:3a2=2c2,所以离心率e==.故选C.
(3)(2022·新课标Ⅰ卷)已知椭圆C:+=1(a>b>0),C的上顶点为A,两个焦点为F1,F2,离心率为.过F1且垂直于AF2的直线与C交于D,E两点,|DE|=6,则△ADE的周长是_13_.
解析
如图,由于a=2c,b=c,故∠AF1F2=60°,△AF1F2为等边三角形,又DE⊥AF2,故∠EF1F2=30°,令椭圆方程为+=c2.直线DE的方程为y=(x+c),联立椭圆方程得13x2+8cx-32c2=0,设D(x1,y1),E(x2,y2),又|DE|=|DF1|+|EF1|=2a+e(x1+x2)=4c+×=6,所以c=,△ADE的周长为4a=8c=13.
训练1 (1)(2025·漳州模拟)已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左焦点为F1,直线y=kx(k>0)与双曲线C交于P,Q两点,且∠PF1Q=,·=4,则当a2+取得最小值时,双曲线C的离心率为(D)
A.3 B. C.2 D.
解析
不妨设P位于第一象限,双曲线C的右焦点为F2,连接PF2,F2Q,如图所示:令P(x0,y0),根据焦半径公式:|PF1|=ex0+a,|PF2|=|QF1|=ex0-a,·=4=(e2x-a2)=|OP|2-|OF1|2,再根据中线定理得:|QF1|2+|PF1|2=2(|OP|2+|OF1|2),即所以b2=c2-a2=2,所以a2+=+≥2=2(当且仅当a2=2时取等号),所以当a2+取得最小值时,双曲线C的离心率e==.故选D.
(2)(2025·河北模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,点A,B是椭圆C的长轴顶点,直线x=m(-a<m<a)与椭圆C交于P,Q两点,记k1,k2分别为直线AP和直线BQ的斜率,则|k1+4k2|的最小值为(C)
A. B. C.2 D.4
解析 不妨设P(m,y0),Q(m,-y0),+=1,则k1=,k2=,k1k2====1-e2=,故|k1+4k2|≥2=2.当且仅当k1=4k2时,取等号.故选C.
类型二 椭圆、双曲线的二级结论
(1)焦点三角形的面积公式:P为椭圆(或双曲线)上异于长轴端点的一点,F1,F2为其焦点,记∠F1PF2=θ,则:
在椭圆中,S△PF1F2=b2·tan ;
在双曲线中,S△PF1F2=.
(2)焦半径的数量关系式:直线l过焦点F与椭圆(或双曲线)相交于A,B两点,则+=.
(3)垂径定理:若椭圆(或双曲线)与直线l交于A,B两点,其中A(x1,y1),B(x2,y2),M(x0,y0)为线段AB的中点,则:
在椭圆中,kAB·kOM=-;
在双曲线中,kAB·kOM=.
例2 (1)已知椭圆C:+=1(a>b>0),其左、右焦点分别为F1,F2,其离心率为e=,点P为该椭圆上一点,且满足∠F1PF2=,已知△F1PF2的内切圆的面积为3π,则该椭圆的长轴长为(D)
A.2 B.4 C.6 D.12
解析 由e=,得=,即a=2c ①.设△F1PF2的内切圆的半径为r,因为△F1PF2的内切圆的面积为3π,所以πr2=3π,解得r=(舍负),在△F1PF2中,根据椭圆的定义及焦点三角形的面积公式,知S△F1PF2=b2tan=r(2a+2c),即b2=(a+c) ②,又a2=b2+c2 ③,联立①②③得c=3,a=6,b=3,所以该椭圆的长轴长为2a=2×6=12.
(2)已知双曲线C的左、右焦点分别为F1(-,0),F2(,0),过F2的直线与C的右支交于A,B两点.若=2,|AB|=|F1B|,则双曲线C的方程为 -=1 .
解析
如图,令|F2B|=t,则|AF2|=2t,所以|AB|=3t,|F1B|=3t,又+=,所以+=,即=,又|F1B|-|F2B|=2a,所以3t-t=2a,所以2t=2a,所以t=a,所以=,即3b2=4a2,又c=,所以a2+b2=7,解得b2=4,a2=3,故双曲线C的方程为-=1.
训练2 (1)已知P是椭圆+=1(a>b>0)上一动点,F1,F2是椭圆的左、右焦点,当∠F1PF2=时,S△F1PF2=4;当线段PF1的中点落到y轴上时,tan∠F1PF2=,则椭圆的标准方程为(A)
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析
当∠F1PF2=时,由题意知S△F1PF2=b2tan,即4=b2tan,所以b2=12.如图,当线段PF1的中点落到y轴上时,又O为F1F2的中点,所以PF2∥y轴,即PF2⊥x轴.设|PF1|=m,|PF2|=n,由tan∠F1PF2=,得=,即n=,则m=c,且n==.所以联立解得所以椭圆的标准方程为+=1.
(2)已知双曲线E的中心为原点,F(3,0)是E的焦点,过F的直线l与E相交于A,B两点,且AB的中点为M(-12,-15),则E的方程为(B)
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
解析 由题意可知kAB==1,kMO==,由双曲线的垂径定理得kMO·kAB=,即=,又9=a2+b2,联立解得a2=4,b2=5,故双曲线的方程为-=1.故选B.
(3)已知椭圆C:+=1,其左、右焦点分别为F1,F2,过右焦点F2的直线交椭圆于A,B两点,且|AF2|=2,则|AB|= ,cos∠F1AB= - .
解析 因为a=4,b=2,由+=,所以+=,所以|BF2|=,所以|AB|=,所以|AF1|=6,|BF1|=,所以cos∠F1AB===-.
(4)设过点P的直线l与椭圆+y2=1交于M,N两点,点B为该椭圆的下顶点且|BM|=|BN|,则直线l的方程为 y=±x+ .
解析
设弦MN的中点E的坐标为(m,n),如图,连接OE,BE.由椭圆的垂径定理与已知条件,有kBE·kPE=-1,kOE·kPE=-,于是·=-1,·=-.解得m=±,n=.于是直线l的方程为y=±x+.由于+2<1,所以E在椭圆内,直线l与椭圆相交,满足条件.所以直线l的方程为y=±x+.
类型三 抛物线的二级结论
已知过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F的一条直线AB和此抛物线相交于A,B两点(α是直线AB的倾斜角),准线l的方程为x=-,设点A(x1,y1),B(x2,y2).
1.抛物线焦点弦常用结论:
(1)x1x2=;
(2)y1y2=-p2;
(3)|AF|=x1+,|BF|=x2+;
(4)|AB|=x1+x2+p;
(5)|AB|=;
(6)|AF||BF|=;
(7)+=;
(8)S△AOB=;
(9)|AF|= (当α为锐角时,较长的焦半径),|BF|= (当α为锐角时,较短的焦半径).
2.焦点弦与圆有关的结论:
(1)以线段AB为直径的圆与准线相切;
(2)通径:过焦点垂直于对称轴的弦,长度等于2p,通径是过焦点最短的弦;
(3)已知AB,CD是抛物线E:y2=2px(p>0)中过焦点F的两条相互垂直的弦,则|AB|+|CD|存在最小值,且最小值为8p.
例3 (1)(2025·全国一卷)(多选题)已知抛物线C:y2=6x的焦点为F,过F的一条直线交C于A,B两点,过A作直线l:x=-的垂线,垂足为D,过F且与直线AB垂直的直线交l于点E,则(ACD)
A.|AD|=|AF| B.|AE|=|AB|
C.|AB|≥6 D.|AE|·|BE|≥18
解析
对于A,由抛物线定义知|AD|=|AF|,故A正确;对于B,过B作BB′⊥l,垂足为B′,由|BB′|=|BF|,∠BB′E=∠BFE知△BB′E≌△BFE,即∠B′EB=∠FEB,同理可知∠AED=∠AEF,所以∠AEB=90°,又因为以焦点弦AB为直径的圆与准线相切,故点E在此圆上(即为切点),AB为直径,AE为弦,所以|AB|>|AE|,故选项B错误;对于C,根据抛物线焦点弦中通径最短,p=3,则|AB|≥2p=6,故选项C正确;对于D,因为AE⊥BE,如图,设∠AFx=θ,由S△AEB=|AE|·|BE|=|AB|·|EF|,可得|AE|·|BE|=|AB|·|EF|=·=≥2p2=18,D正确.故选ACD.
(2)(2023·新课标Ⅱ卷)(多选题)设O为坐标原点,直线y=-(x-1)过抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点,且与C交于M,N两点,l为C的准线,则(AC)
A.p=2
B.|MN|=
C.以MN为直径的圆与l相切
D.△OMN为等腰三角形
解析 对于A,因直线y=-(x-1)经过抛物线C的焦点,且直线与x轴的交点为(1,0),所以抛物线C的焦点坐标为(1,0),所以=1,即p=2,所以A正确;对于B,解法一:不妨设M(x1,y1),N(x2,y2),x1<x2,联立方程得解得所以M,N(3,-2),所以由两点间距离公式可得|MN|==,故B错误;解法二:易知直线y=-(x-1)的倾斜角为,所以|MN|==,故B错误;对于C,以抛物线焦点弦为直径的圆与抛物线的准线相切,易知C正确;对于D,由B中解法一知M,N(3,-2),所以由两点间距离公式可得|OM|=,|ON|=,又|MN|=,故D错误.综上,选AC.
训练3 (1)(2025·陕西模拟)已知抛物线y2=4x,过焦点F的直线与抛物线交于A,B两点,则2|AF|+|BF|的最小值为(D)
A.2 B.2+3
C.4 D.3+2
解析 因为p=2,所以+==1,所以2|AF|+|BF|=(2|AF|+|BF|)·=3++≥3+2=3+2,当且仅当|BF|=|AF|时,等号成立,因此,2|AF|+|BF|的最小值为3+2.故选D.
(2)已知O为坐标原点,F为抛物线C:y2=8x的焦点,M为C上一点,若|MF|=8,则△MOF的面积为(A)
A.4 B.3 C.8 D.3
解析 解法一:抛物线C:y2=8x的准线方程为x=-2.设M(x0,y0),由抛物线的定义可知,点M到焦点F(2,0)的距离等于其到准线x=-2的距离,所以|MF|=x0+2=8,所以x0=6.因为点M(x0,y0)在抛物线C:y2=8x上,所以y=8×6=48,则|y0|=4,所以S△MOF=|OF|·|y0|=×2×4=4,故选A.
解法二:因为抛物线C:y2=8x关于x轴对称,所以不妨设点M在x轴上方,直线FM的倾斜角为θ,则|MF|===8,所以cos θ=,因为0<θ<π,所以θ=,则∠OFM=,所以S△MOF=|OF|·|MF|·sin∠OFM=×2×8×sin=4,故选A.
(3)(2025·襄阳模拟)如图所示,已知抛物线C1:y2=2px(p>0)过点(2,4),圆C2:x2+y2-4x+3=0.过圆心C2的直线l与抛物线C1和圆C2分别交于P,Q,M,N,则|PM|+4|QN|的最小值为_13_.
解析 由题设知,16=2p×2,则2p=8,故抛物线的标准方程为y2=8x,则焦点F(2,0),由直线PQ过抛物线的焦点,则+==,圆C2:(x-2)2+y2=1的圆心为(2,0),半径为1,|PM|+4|QN|=|PF|-1+4(|QF|-1)=|PF|+4|QF|-5=2(|PF|+4|QF|)-5=2×+5≥4+5=13,当且仅当|PF|=2|QF|时,等号成立,故|PM|+4|QN|的最小值为13.
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