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数学
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第8节 直线与圆锥曲线
第八章 平面解析几何
1.理解直线与圆锥曲线位置关系的判断方法.
2.掌握直线被圆锥曲线所截的弦长公式.
3.掌握直线与圆锥曲线相交的综合问题.
课标要求
1.直线与圆锥曲线的位置关系
(1)直线与圆锥曲线的位置关系有______、______、______;相交有两个交点(特殊情况除外),相切有一个交点,相离无交点.
(2)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Ax+By+C=0代入圆锥曲线C的方程,消去y(或x)得到一个关于变量x(或y)的方程ax2+bx+c=0(或ay2+by+c=0).
①当a≠0时,可考虑一元二次方程的判别式Δ,有Δ>0时,直线l与曲线C______;Δ=0时,直线l与曲线C______;Δ<0时,直线l与曲线C______.
②当a=0时,即得到一个一次方程,则l与C相交,且只有一个交点,此时,若C为双曲线,则直线l与双曲线的_________平行;若C为抛物线,则直线l与抛物线的_________平行或重合.
相交
相切
相离
相交
相切
相离
渐近线
对称轴
3
2.圆锥曲线的弦长公式
设直线与圆锥曲线的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),
则|AB|=____________或=__________________________
|AB|=_____________=______________________________,k为直线斜率且k≠0.
|y1-y2|
|x1-x2|
4
3.中点弦问题常用“根与系数的关系”或“点差法”求解.
(1)利用根与系数的关系: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,注意不能忽视对判别式的讨论.
(2)点差法:若直线l与圆锥曲线C有两个交点A,B,一般地,首先设出A(x1,y1),B(x2,y2),AB中点M(x0,y0),直线AB的斜率k,将点A,B代入圆锥曲线的方程,两式相减,并整理,则椭圆中k=-·;双曲线中k=;抛物线中k=.
·
5
1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)
(1)已知椭圆C:=1(a>b>0)与点P(b,0),经过P可作出该椭圆的一条切线.( )
(2)过椭圆内一点的直线必与椭圆相交.( )
(1)易知点P(b,0)在椭圆C的内部,因此过点P作不出椭圆的切线.
诊断自测 概念思考辨析+教材经典改编
√
×
6
(3)当“直线l与双曲线C只有一个公共点”时,有与渐近线平行的直线l和与双曲线相切的直线l两种情况,因此“直线l与双曲线C相切是直线l与双曲线C只有一个公共点”的充分不必要条件.
(4)直线与抛物线的对称轴平行时也只有一个交点.
×
√
(3)“直线l与双曲线C相切”的充要条件是“直线l与双曲线C只有一个公共点”.( )
(4)若直线与抛物线只有一个交点,则直线与抛物线一定相切.( )
(5)若直线的斜率一定,则当直线过椭圆的中心时,弦长最大.( )
×
7
2.(人教B选修一P178T13改编)已知M(4,2)是直线l被椭圆x2+4y2=36所截得的弦AB的中点,则直线l的方程为( )
A.x+2y-8=0 B.2x-y-6=0
C.2x+y-10=0 D.x-2y=0
A
设A(x1,y1),B(x2,y2),则+4=36,
+4=36,x1+x2=4×2=8,
y1+y2=2×2=4,
两式相减可得(x1+x2)(x1-x2)+4(y1+y2)(y1-y2)=0,(*)
8
把x1+x2=8,y1+y2=4,=k,代入(*)式.
得8+16k=0,解得k=-,
所以直线l的方程为y-2=-(x-4),
化为x+2y-8=0.
9
3.(苏教选修一P100T5改编)直线y=(x-1)与双曲线x2-y2=1的公共点个数是____________.
2
由消去y,
得x2-3x+2=0,
∵Δ=(-3)2-4×1×2=1>0,
∴方程组有两个解,∴有2个公共点.
10
4.(人教A选修一P114T2改编)经过椭圆+y2=1的左焦点F1作倾斜角为60°的直线l,直线l与椭圆相交于A,B两点,则线段AB的长为____________.
在+y2=1中,a2=2,b2=1,
所以c2=a2-b2=1,即c=1,
故左焦点为F1(-1,0),
而tan 60°=,
故直线l为y=(x+1),
11
联立+y2=1得,7x2+12x+4=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),由根与系数的关系得x1+x2=-,x1x2=.
则由弦长公式得
|AB|=·.
12
例1 (1)若直线mx+ny=4与☉O:x2+y2=4没有交点,则过点P(m,n)的直线与椭圆C:=1的交点个数是( )
A.0或1 B.2
C.1 D.0
B
考点一 直线与圆锥曲线的位置关系
由题意知>2,<1,故<1,
所以点P(m,n)在椭圆C的内部,则过点P的直线与椭圆C有两个交点,
故所求交点个数是2.
(2)(2024·北京卷)若直线y=k(x-3)与双曲线-y2=1只有一个公共点,则k的
一个取值为________________________.
由题意,知该双曲线的渐近线方程为y=±x,直线y=k(x-3)过定点(3,0).
因为点(3,0)在双曲线内,所以要使过该点的直线与双曲线只有一个公共点,则该直线与双曲线的渐近线平行,所以k=±.
感悟提升
1.在判断直线和圆锥曲线的位置关系时,先联立方程组,再消去x(或y),得到关于y(或x)的方程,如果是直线与圆或椭圆,则所得方程一定为一元二次方程;如果是直线与双曲线或抛物线,则需讨论二次项系数等于零和不等于零两种情况,只有二次方程才有判别式,另外还应注意斜率不存在的情形.
2.双曲线中与渐近线平行的直线与双曲线只有一个公共点;抛物线中与对称轴平行的直线与抛物线只有一个公共点.
训练1 (1)直线kx-y+1=0(k∈R)与椭圆=1恒有公共点,则实数m的取值范围为( )
A.(1,4] B.[1,4)
C.[1,4)∪(4,+∞) D.(4,+∞)
C
由于直线y=kx+1恒过点M(0,1),
要使直线y=kx+1与椭圆=1恒有公共点,
只要M(0,1)在椭圆的内部或在椭圆上即可,
即解得m≥1且m≠4,
故实数m的取值范围为[1,4)∪(4,+∞).
(2)(2026·西安调研)已知抛物线方程为y2=4x,过点P(0,2)的直线与抛物线只有一个交点,这样的直线有( )
A.0条 B.1条
C.2条 D.3条
D
因为点P(0,2)不在抛物线上,
易知当直线斜率不存在时,直线方程为x=0,满足题意;
当直线斜率k=0时,易知y=2满足条件;
当直线斜率存在且k≠0时,设直线方程为y=kx+2,
由整理得k2x2+(4k-4)x+4=0,
由
解得k=,
综上所述,满足条件的直线有3条,故选D.
角度1 弦长问题
例2 (1)已知直线l:y=x-1与抛物线y2=4x交于A,B两点,则线段AB的长是( )
A.2 B.4
C.8 D.16
考点二 弦的有关问题
C
联立
消去y并整理得x2-6x+1=0,设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=6,x1x2=1,
所以|AB|=×=8.
(2)已知斜率为2的直线经过椭圆=1的右焦点F,且与椭圆相交于A,B两点,则弦AB的长为____________.
由题意知,椭圆的右焦点F的坐标为(1,0),直线AB的方程为y=2(x-1).
由消去y,得3x2-5x=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=,x1x2=0,
则|AB|==.
角度2 中点弦问题
例3 (1)(2026·肇庆模拟)已知直线l:x-y+3=0与双曲线C:=1(a>0,b>0)交于A,B两点,点P(1,4)是弦AB的中点,则双曲线C的渐近线方程是( )
A.y=±x B.y=±2x
C.y=±x D.y=±4x
B
法一(根与系数关系)
联立直线x-y+3=0与=1的方程,消去y得(b2-a2)x2-6a2x-9a2-a2b2=0,
Δ=(-6a2)2-4(b2-a2)(-9a2-a2b2)
=36a2b2(1+b2-a2)>0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则b2-a2≠0且x1+x2==2.
得b2=4a2(满足Δ>0),故b=2a,双曲线的渐近线方程为y=±2x.
法二(点差法) 设A(x1,y1),B(x2,y2),
可得=1,=1,
两式相减可得
,
即·,
由点P(1,4)是弦AB的中点,
且直线l:x-y+3=0,
可得x1+x2=2,y1+y2=8,y1-y2=x1-x2,
即有b2=4a2,即b=2a,
所以双曲线的渐近线方程为y=±2x.
法三(结论法) 由于P(1,4)为AB的中点,
∴kAB=··=1,
∴b2=4a2,即b=2a,
所以双曲线的渐近线方程为y=±2x.
(2)(2026·太原调研)已知直线l交抛物线C:x2=-18y于M,N两点,且MN的中点为(3,-2),则l的斜率为____________.
易知直线l的斜率存在,设直线l的斜率为k,M(x1,y1),N(x2,y2),
则
两式相减得=-18(y1-y2),
整理得=-,
-
因为MN的中点为(3,-2),
所以x1+x2=2×3=6,
所以k==-=-,
即直线l的斜率为-.
感悟提升
1.弦及弦中点问题的解决方法
(1)根与系数的关系:直线与椭圆或双曲线方程联立,消元,利用根与系数关系表示中点;
(2)点差法:利用弦两端点适合椭圆或双曲线方程,作差构造中点、斜率间的关系.若已知弦的中点坐标,可求弦所在直线的斜率.
感悟提升
2.弦长的求解方法
(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,可利用弦长公式求解.
(3)抛物线的焦点弦的弦长应选用更简捷的弦长公式|AB|=x1+x2+p,其
中A(x1,y1),B(x2,y2).
训练2 (1)(2026·杭州质检)已知顶点在原点,关于y轴对称的抛物线与直线x-2y=1交于P,Q两点,若|PQ|=,则抛物线的方程为( )
A.x2=-4y B.x2=12y
C.x2=-4y或x2=12y D.以上都不是
C
设抛物线的方程为x2=2ay,
则抛物线与直线x-2y=1联立消去y,得
x2-ax+a=0,
所以x1+x2=a,x1x2=a,
则|x1-x2|=,
所以|PQ|=|x1-x2|=·,
所以a2-4a-12=0,解得a=-2或a=6,
所以x2=-4y或x2=12y.
(2)已知P(1,1)为椭圆=1内一定点,经过P引一条弦,使此弦被P点平分,则此弦所在的直线方程为________________________.
法一 易知此弦所在直线的斜率存在,
∴设斜率为k,弦所在的直线与椭圆相交于A,B两点,设A(x1,y1),B(x2,y2),
则=1,①
=1,②
由①-②得
=0.
x+2y-3=0
∵x1+x2=2,y1+y2=2,
∴+y1-y2=0.
又x2-x1≠0,∴k==-.
经检验,k=-满足题意.
∴此弦所在的直线方程为y-1=-(x-1),
即x+2y-3=0.
法二 (利用结论)
k=-·=-×=-,
∴此弦所在的直线方程为y-1=-(x-1),
即x+2y-3=0.
例4 (2025·新高考Ⅱ卷)已知椭圆C:=1(a>b>0)的离心率为,长轴长为4.
(1)求C的方程;
考点三 直线与圆锥曲线的综合
由题意得2a=4,解得a=2.
由e=,得c=a=,
又b2=a2-c2,所以b=.
所以C的方程为=1.
(2)过点(0,-2)的直线l与C交于A,B两点,O为坐标原点.若△OAB的面积为,求|AB|.
由题意得l的斜率存在且不为0,设l的斜率为k,则直线l的方程为y=kx-2,
由Δ=16(2k2-1)>0,得k2>,
设直线l与x轴交于点M,则M,
S△AOB=|OM||y1-y2|
=|(kx1-2)-(kx2-2)|=|x1-x2|
=
=,解得k2=.
所以|AB|=|x2-x1|=×.
感悟提升
1.解答直线与圆锥曲线相交的题目时,常用到“设而不求”的方法,即联立直线和圆锥曲线的方程,消去y(或x)得一元二次方程,然后借助根与系数的关系,并结合题设条件,建立有关参变量的等量关系求解.
2.涉及直线方程的设法时,务必考虑全面,不要忽略直线斜率为0或不存在等特殊情形.
训练3 (1)过抛物线C:y2=8x的焦点F的直线交C于A,B两点,与抛物线C的准线交于点P,若|AF|,|AP|,|BF|成等差数列,则|AB|等于( )
A.4 B.4 C. D.
D
由题意得F(2,0),抛物线的准线方程为x=-2,
因为过抛物线C:y2=8x焦点F的直线与抛物线C交于两点,
且与抛物线的准线相交,
所以直线的斜率存在且不为0,
设直线方程为y=k(x-2),
与C:y2=8x联立得k2x2-(4k2+8)x+4k2=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),显然x1,x2>0,
则x1x2=4,
因为|AF|,|AP|,|BF|成等差数列,
所以2|AP|=|AF|+|BF|=|AB|,
所以,
即3(x1+2)=x2+2,解得x2=3x1+4,
代入x1x2=4,可得3+4x1-4=0,
解得x1=或x1=-2(舍去),所以x2=6,
则|AB|=x1+x2+4=+6+4=.
(2)(2026·安徽十校联考)已知F1,F2分别是椭圆=1的左、右焦点,P,A,B为椭圆上三个不同的点,直线PA的方程为x=2,且∠APB的平分线经过点Q(1,0),设△AF1F2,△BF1F2的内切圆的半径分别为r1,r2,则=____.
5
由题意,不妨设P(2,),则A(2,-).
已知Q(1,0),则直线PQ的方程为y=(x-1),
则直线x=2关于直线PQ的对称直线PB的方程为x-2y+2=0,
联立
消去x得5y2-4y-2=0,
所以yPyB=-.
因为yP=,所以yB=-,
则=5.
一、单选题
1.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
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.
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=( )
A. B.
C.1 D.2
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,代入抛物线方程解得p=1.
3.过双曲线=1的右焦点F,且倾斜角为30°的直线交双曲线于A,B两点,则|AB|的值为( )
A. B.
C. D.
C
由双曲线的方程得F(3,0),直线AB的方程为y=(x-3),①
将其代入双曲线方程消去y得5x2+6x-27=0,
解得x1=-3,x2=.
将x1,x2代入①,得y1=-2,y2=-,
故|AB|=
=.
4.(2023·新高考Ⅱ卷)已知椭圆C:+y2=1的左、右焦点分别为F1,F2,直线y=x+m与C交于A,B两点,若△F1AB面积是△F2AB面积的2倍,则m=( )
A. B.
C.- D.-
C
则Δ=36m2-4×4(3m2-3)>0,
解得-2<m<2,
由椭圆方程知,F1(-,0),F2(,0),
△F1AB面积是△F2AB面积的2倍,
所以点F1到直线AB的距离是点F2到直线AB的距离的2倍,
即=2×,
解得m=-或m=-3(舍去).
5.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点到准线的距离为1,若抛物线C上存在关于直线l:x-y-2=0对称的不同的两点P和Q,则线段PQ的中点坐标为( )
A.(1,-1) B.(2,0)
C. D.(1,1)
A
∵焦点到准线的距离为p,则p=1,
∴y2=2x.设点P(x1,y1),Q(x2,y2),
则
两式相减可得(y1-y2)(y1+y2)=2(x1-x2),
∴kPQ=,
又∵P,Q关于直线l对称,
∴kPQ=-1,即y1+y2=-2,
∴PQ中点的纵坐标为=-1,
又∵PQ的中点在直线l上,
∴PQ中点的横坐标为-1+2=1.
∴线段PQ的中点坐标为(1,-1).
6.已知双曲线C:=1,过点P(3,3)作直线l,使l与C有且只有一个公共点,则满足条件的直线l共有( )
A.1条 B.2条
C.3条 D.4条
D
由题意知双曲线的焦点F1(-5,0),F2(5,0),顶点A(3,0),渐近线方程为y=±x,
由P(3,3)可得该点在双曲线右顶点上方,
易得过P点与双曲线有且只有一个公共点的直线中,有两条和双曲线的渐近线分别平行的直线(图1),有两条双曲线右支的切线(图2),共4条.
7.已知倾斜角为的直线l与椭圆C:+y2=1交于A,B两点,P为AB的中点,O为坐标原点,则直线OP的斜率为( )
A.-1 B.-
C.- D.-
D
设A(x1,y1),B(x2,y2),P(x0,y0),
则kAB==1,x0=,y0=,
所以kOP=,所以kABkOP=,
将A,B两点坐标代入椭圆方程可得
两式作差可得=0,
所以kABkOP==-,
则kOP=-.
二、多选题
8.已知直线l:y=x+m与椭圆C:=1,则( )
A.若C与l至少有一个公共点,则m≤2
B.若C与l有且仅有两个公共点,则|m|<2
C.若m=3,则C上到l的距离为5的点只有1个
D.若m=-,则C上到l的距离为1的点只有3个
BCD
联立
得4x2+6mx+3m2-6=0,
则Δ=12(8-m2).
令Δ=12(8-m2)≥0,则|m|≤2,A错误;
令Δ=12(8-m2)>0,则|m|<2,B正确;
令l与C相切,则Δ=12(8-m2)=0,
即m=±2,直线y=x+3与直线y=x-2的距离d==5,
C正确;
如图,直线y=x-与直线y=x-2和直线y=x间的距离均为1,
因此C上到l的距离为1的点只有3个,D正确.
9.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,其准线与x轴交于点A,过点A作斜率为k的直线l与C交于M(x1,y1),N(x2,y2)两点.若直线y=(x-1)经过点F,则( )
A.p=2
B.x1x2=1
C.|k|≥1
D.|FM|2+|FN|2的取值范围是(8,+∞)
ABD
因为抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,且直线y=(x-1)经过点F,
所以F(1,0),则=1,解得p=2,故A正确;
所以抛物线方程为y2=4x,
则A(-1,0),设过点A作斜率为k的直线l的方程为y=kx+k,
联立消去y可得
k2x2+(2k2-4)x+k2=0,
显然k≠0,Δ=(2k2-4)2-4k4=16-16k2>0,
解得-1<k<0或0<k<1,故C错误;
由根与系数的关系可得x1+x2=-,x1x2=1,故B正确;
因为|FM|=x1+1,|FN|=x2+1,
所以|FM|2+|FN|2=+2(x1+x2)+2=(x1+x2)2+2(x1+x2)-2x1x2+2
=,
令t=,则t∈(4,+∞),则=t(t-2)=(t-1)2-1>(4-1)2-1=8,
所以|FM|2+|FN|2的取值范围是(8,+∞),故D正确.故选ABD.
三、填空题
10.(2022·全国甲卷)记双曲线C:=1(a>0,b>0)的离心率为e,写出满足条件“直线y=2x与C无公共点”的e的一个值______________________.
双曲线C的渐近线方程为y=±x,
若直线y=2x与双曲线C无公共点,
则2≥,∴≤4,∴e2==1+≤5,
又e>1,∴e∈(1,],∴填写(1,]内的任意值均可.
2((1,]内的任意值均可)
11.已知点A,B是双曲线C:=1上的两点,线段AB的中点是M(3,2),则
直线AB的斜率为____________.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
∵点A,B是双曲线C上的两点,∴=1,=1,
两式相减得=,
∵M(3,2)是线段AB的中点,∴x1+x2=6,y1+y2=4,
∴,∴kAB=.
12.已知抛物线C:x2=4y的焦点为F,A,B为C上的两点.若直线FA的斜率为1,且·=0,延长AF,BF分别交C于P,Q两点,则四边形ABPQ的面积为____________.
由题可知,抛物线的焦点为F(0,1),
因为直线FA的斜率为1,所以直线AP的方程为y=x+1,
与抛物线C的方程联立,得x2-4x-4=0,
所以Δ=(-4)2-4×(-4)>0,
设A(x1,y1),P(x2,y2),
则x1+x2=4,x1x2=-4,
故|AP|=·=×=8.
因为·=0,所以FA⊥FB,
所以直线FB的斜率为-1,直线BQ的方程为y=-x+1,
与抛物线C的方程联立,得x2+4x-4=0.
所以Δ=42-4×(-4)>0,
设B(x3,y3),Q(x4,y4),则x3+x4=-4,x3x4=-4,
故|BQ|=·=×=8.
所以四边形ABPQ的面积为|AP|·|BQ|=32.
四、解答题
13.(2026·石家庄模拟)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,A是抛物线上横坐标为2且位于x轴上方的点,A到抛物线焦点的距离为.
(1)求抛物线C的方程;
由题意得+2=,解得p=1,
故抛物线C的方程为y2=2x.
(2)若过点F的直线l交抛物线C于B,D两点(异于坐标原点O),连接OB,OD,若S△OBF=S△ODF,求BD的长.
由题意得直线l的斜率不为0,
不妨设B(x1,y1),D(x2,y2),y1>0,y2<0,
直线l:x=ty+,与y2=2x联立,消去x,
得y2-2ty-1=0,Δ=(-2t)2-4×(-1)=4t2+4>0,
由根与系数的关系得
y1+y2=2t,y1y2=-1,①
由S△OBF=S△ODF,得y1=-y2,②
联立①②得y1=,y2=-,t=-,
|BD|=|y1-y2|=.
14.已知椭圆C:=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率为,长轴长为4.
(1)求椭圆C的标准方程;
因为椭圆的离心率为e=,长轴长为2a=4,
解得a=2,c=1,则b2=3,
所以椭圆C的标准方程是=1.
(2)已知直线l过定点E,若椭圆C上存在两点A,B关于直线l对称,求直线l的斜率k的取值范围.
由题意,当直线l的斜率k=0时,显然符合题意,
当直线l的斜率不存在时,显然不符合题意,
当k存在且不为零时,
设直线l的方程为y=k,A(x1,y1),B(x2,y2),AB中点的坐标为(x0,y0),
又
两式相减得3(x1+x2)(x1-x2)=-4(y1+y2)(y1-y2),
即3kx0=4y0,
又y0=k,解得x0=1,y0=,
因为线段AB的中点在椭圆内部,
所以<1,即<1,
解得-2<k<0或0<k<2,
综上,直线l的斜率k的取值范围为(-2,2).
联立消去y并化简得(1+2k2)x2-8kx+4=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则
联立消去y得4x2+6mx+3m2-3=0,
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