内容正文:
第三章 圆锥曲线的方程
3.3.2 抛物线的简单几何性质
第1课时 抛物线的简单几何性质
【学习与目标】
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1.了解抛物线的简单几何性质.2.会利用抛物线的性质解决一些简单的抛物线问题.
填一填
1.抛物线的简单几何性质
标准
方程
y2=2px
(p>0)
y2=-2px
(p>0)
x2=2py
(p>0)
x2=-2py
(p>0)
p的几何意义:焦点F到准线l的距离
图形
范围
eq \o(□,\s\up4(1))
x≤0,y∈R
eq \o(□,\s\up4(2))
x∈R,y≤0
对称轴
eq \o(□,\s\up4(3)) 轴
eq \o(□,\s\up4(4)) 轴
顶点
eq \o(□,\s\up4(5))__________
离心率
e= eq \o(□,\s\up4(6))___
2.焦点弦
已知过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F的直线交抛物线于A,B两点,则称AB为抛物线的焦点弦.设A(x1,y1),B(x2,y2),则有|AB|= eq \o(□,\s\up4(7)) ,|AF|= eq \o(□,\s\up4(8)) .
x1+ eq \f(p,2)
练一练
1.判断正误
(1)抛物线y2=2px(p>0)有一条对称轴为y轴.( )
(2)抛物线只有一个焦点,一条对称轴,无对称中心.( )
(3)抛物线的标准方程虽然各不相同,但是其离心率都相同.( )
(4)抛物线是双曲线的一支,也有渐近线.( )
2.抛物线x=8y2的通径长为( )
A.8
B.4
C. eq \f(1,8)
D. eq \f(1,4)
解析 抛物线x=8y2,即y2= eq \f(1,8)x,可得2p= eq \f(1,8),因此通径长为 eq \f(1,8).
3.顶点在原点,对称轴为y轴,顶点到准线的距离为4的抛物线方程是( )
A.x2=16y
B.x2=8y
C.x2=±8y
D.x2=±16y
解析 顶点在原点,对称轴为y轴的抛物线方程有两个:x2=-2py(p>0),x2=2py(p>0).由顶点到准线的距离为4知p=8,故所求抛物线方程为x2=16y或x2=-16y.
4.已知过抛物线y2=4x的焦点F的直线交该抛物线于A,B两点,|AF|=2,则|BF|= .
解析 由题知F(1,0),由抛物线定义得A点横坐标为1.
∴AF⊥x轴,∴|BF|=|AF|=2.
类型一 由抛物线的几何性质求标准方程 自主探究
1.边长为1的等边三角形AOB,O为坐标原点,AB⊥x轴,以O为顶点且过A,B的抛物线方程是( )
A.y2= eq \f(\r(3),6)x
B.y2=- eq \f(\r(3),3)x
C.y2=± eq \f(\r(3),6)x
D.y2=± eq \f(\r(3),3)x
解析 设抛物线方程为y2=ax(a≠0).
取点A在x轴上方,则由题意可得A eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(±\f(\r(3),2),\f(1,2))),则有 eq \f(1,4)=± eq \f(\r(3),2)a,解得a=± eq \f(\r(3),6),所以抛物线方程为y2=± eq \f(\r(3),6)x.故选C.
2.(2024·山东青岛一中月考)已知双曲线C1: eq \f(x2,a2)- eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的离心率为2.若抛物线C2:x2=2py(p>0)的焦点到双曲线C1的渐近线的距离为2,则抛物线C2的方程为
.
解析 因为双曲线C1: eq \f(x2,a2)- eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的离心率为2,所以 eq \f(c,a)= eq \f(\r(a2+b2),a)=2,所以b= eq \r(3)a,
所以双曲线的渐近线方程为 eq \r(3)x±y=0.
所以抛物线C2:x2=2py(p>0)的焦点 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(p,2)))到双曲线的渐近线的距离为 eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\r(3)×0±\f(p,2))),2)=2,又p>0,
所以p=8,所以所求的抛物线方程为x2=16y.
由抛物线的几何性质求标准方程的方法
(1)代数法:将几何性质转化为坐标表达式,解方程(组)求出未知数.
(2)几何法:将几何性质与抛物线定义相结合,采用几何法求出焦点与准线的距离,从而得到抛物线的标准方程.
类型二 抛物线几何性质的应用
【例1】 如图所示,点F是抛物线y2=8x的焦点,点A,B分别在抛物线y2=8x及圆x2+y2-4x-12=0的实线部分上运动,且AB总是平行于x轴,求△FAB的周长的取值范围.
解 设A(xA,yA),B(xB,yB).易知抛物线y2=8x的准线方程为x=-2,焦点F(2,0),由抛物线的定义,可得|AF|=xA+2.圆x2+y2-4x-12=0的圆心为(2,0),半径R=4,所以△FAB的周长L=|AF|+|AB|+|BF|=xA+2+(xB-xA)+4=6+xB,由题意,可知抛物线与圆的交点的横坐标为2,所以xB∈(2,6),所以6+xB∈(8,12).故△FAB的周长的取值范围为(8,12).
利用抛物线的性质可以解决的问题
(1)对称性:解决抛物线的内接三角形问题.
(2)焦点、准线:解决与抛物线的定义有关的问题.
(3)范围:解决与抛物线有关的最值问题.
(4)焦点:解决焦点弦问题.
[跟踪训练1] 等腰直角三角形AOB内接于抛物线y2=2px(p>0),O为抛物线的顶点,OA⊥OB,则△AOB的面积是( )
A.8p2
B.4p2
C.2p2
D.p2
解析 因为抛物线的对称轴为x轴,内接△AOB为等腰直角三角形,OA⊥OB,所以由抛物线的对称性,知直线AB与抛物线的对称轴垂直,不妨设点A在x轴上方,则直线OA的倾斜角为45°,所以直线OA的方程为y=x.
由方程组 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=x,,y2=2px,))得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=0,,y=0))或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=2p,,y=2p,))所以易得A,B两点的坐标分别为(2p,2p)和(2p,-2p).
所以|AB|=4p,所以S△AOB= eq \f(1,2)×4p×2p=4p2.
类型三 抛物线的焦点弦问题
【例2】 已知直线l经过抛物线y2=6x的焦点F,且与抛物线交于A,B两点.
(1)若直线l的倾斜角为60°,求|AB|的值;
(2)若|AB|=9,求线段AB的中点M到准线的距离.
解 (1)因为直线l的倾斜角为60°,
所以其斜率k=tan 60°= eq \r(3).
又F eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),0)),
所以直线l的方程为y= eq \r(3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(3,2))).
联立 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y2=6x,,y=\r(3)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(3,2))),))消去y得x2-5x+ eq \f(9,4)=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=5,
所以|AB|=|AF|+|BF|=x1+ eq \f(p,2)+x2+ eq \f(p,2)=x1+x2+p=5+3=8.
(2)由抛物线的定义知|AB|=|AF|+|BF|=x1+ eq \f(p,2)+x2+ eq \f(p,2)=x1+x2+p=x1+x2+3=9,所以x1+x2=6.
于是线段AB的中点M的横坐标是3,又准线方程是x=- eq \f(3,2),所以点M到准线的距离为3+ eq \f(3,2)= eq \f(9,2).
抛物线焦点弦问题的求解方法
解决过焦点的直线与抛物线相交的有关问题时,一是注意将直线方程和抛物线方程联立得方程组,再结合根与系数的关系解题;二是注意焦点弦、焦半径公式的应用.解题时注意整体代入思想的运用,简化运算.
[跟踪训练2] 抛物线的顶点在原点,以x轴为对称轴,经过焦点且倾斜角为135°的直线被抛物线所截得的弦长为8,求抛物线的方程.
解 ①如图,设抛物线的方程为y2=2px(p>0),则直线方程为y=-x+ eq \f(p,2).
设直线交抛物线于点A(x1,y1),B(x2,y2),直线l:x=- eq \f(p,2)为抛物线的准线.
过点A作AC⊥l于点C,过点B作BD⊥l于点D,
则由抛物线的定义,得|AB|=|AF|+|FB|=|AC|+|BD|=x1+ eq \f(p,2)+x2+ eq \f(p,2)=x1+x2+p.
因为|AB|=8,所以x1+x2+p=8. (*)
由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=-x+\f(p,2),,y2=2px(p>0)))消去y,
得x2-3px+ eq \f(p2,4)=0,
所以x1+x2=3p.
将其代入(*),得p=2,
所以所求抛物线的方程为y2=4x.
②当抛物线的方程设为y2=-2px(p>0)时,
同理可得,抛物线的方程为y2=-4x.
综上所述,抛物线的方程为y2=4x或y2=-4x.
1.知识清单
(1)抛物线的几何性质.
(2)抛物线的几何性质的应用.
2.方法归纳:待定系数法、数形结合.
3.常见误区:求抛物线方程时焦点的位置易判断失误.
1.顶点在原点,对称轴是y轴,并且顶点与焦点的距离等于3的抛物线的标准方程是( )
A.x2=±3y
B.y2=±6x
C.x2=±12y
D.x2=±6y
解析 因为顶点在原点,对称轴是y轴,所以抛物线开口向上或向下,由 eq \f(p,2)=3,得p=6.故抛物线的标准方程为x2=±2py=±12y.
2.(多选)设抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,点M在抛物线C上,|MF|=5,若y轴上存在点A(0,2),使得 eq \o(AM,\s\up15(→))· eq \o(AF,\s\up15(→))=0,则p的值可以为( )
A.2
B.4
C.6
D.8
解析 由题意可得,以MF为直径的圆过点(0,2),设点M(x,y),由抛物线的定义知|MF|=x+ eq \f(p,2)=5,可得x=5- eq \f(p,2).因为圆心是MF的中点,所以根据中点坐标公式可得圆心的横坐标为 eq \f(5-\f(p,2)+\f(p,2),2)= eq \f(5,2),圆的半径也为 eq \f(5,2),据此可知该圆与y轴相切于点A(0,2),故圆心的纵坐标为2,则点M的纵坐标为4,即点M eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(5-\f(p,2),4)),代入抛物线方程得p2-10p+16=0,所以p=2或p=8.故选AD.
3.已知抛物线x2=4y的焦点为F,准线为l,过点F且倾斜角为30°的直线交抛物线于点M(M在第一象限),MN⊥l,垂足为N,直线NF交x轴于点D,则|FD|=( )
A.2
B. eq \r(3)
C.4
D.2 eq \r(3)
解析 由已知可得,F(0,1),|OF|=1.
如图所示,过点F作FA⊥MN,垂足为A.
由题得∠AFM=30°,所以∠NMF=60°.
根据抛物线的定义可知|MF|=|MN|,
所以△MNF是等边三角形.
因为MN∥OF,所以∠OFD=∠MNF=60°.
在Rt△OFD中,|FD|= eq \f(|OF|,cos ∠OFD)= eq \f(1,\f(1,2))=2.故选A.
4.已知直线l过点(1,0)且垂直于x轴.若l被抛物线y2=4ax截得的线段长为4,则抛物线的焦点坐标为 .
解析 ∵直线l过点(1,0)且垂直于x轴,
∴直线l的方程为x=1,与y2=4ax联立,可得y2=4a,
显然a>0,∴y=±2 eq \r(a).
∵l被抛物线y2=4ax截得的线段长为4,
∴4 eq \r(a)=4,解得a=1,
∴y2=4x,
∴抛物线的焦点坐标为(1,0).
基础巩固
1.抛物线的顶点在原点,对称轴是x轴,点(-5,2 eq \r(5))在抛物线上,则抛物线的方程为( )
A.y2=-2x
B.y2=-4x
C.y2=2x
D.y2=4x
解析 根据题意设出抛物线的方程为y2=mx(m≠0),因为点(-5,2 eq \r(5))在抛物线上,所以有20=-5m,解得m=-4,所以抛物线的方程是y2=-4x.
2.过抛物线y2=4x的焦点作一条直线与抛物线交于A,B两点.若它们的横坐标之和等于5,则这样的直线( )
A.有且仅有一条
B.有且仅有两条
C.有无穷多条
D.不存在
解析 由抛物线性质知|AB|=5+2=7,
∵当线段AB与x轴垂直时,|AB|min=4,
∴这样的直线有两条.
3.若抛物线y2=2x上有两点A,B且AB垂直于x轴,若|AB|=2 eq \r(2),则抛物线的焦点到直线AB的距离为( )
A. eq \f(1,2)
B. eq \f(1,4)
C. eq \f(1,6)
D. eq \f(1,8)
解析 线段AB所在的直线方程为x=1,抛物线的焦点坐标为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),0)),则焦点到直线AB的距离为1- eq \f(1,2)= eq \f(1,2).
4.如图,公园里的一条顶点为O的抛物线形小路依次穿过两个边长分别为a,b(a<b)的正方形草坪,直线AE为抛物线的对称轴,O为AD的中点,则 eq \f(b,a)等于( )
A. eq \r(2)-1
B. eq \f(3,2)
C.2
D. eq \r(2)+1
解析 由题以抛物线的顶点为原点,建立如图坐标系,
可得C eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,2),a)),
F eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,2)+b,b)),设抛物线方程为y2=2px(p>0),
则 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a2=pa,,b2=2p\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,2)+b)),))
解得 eq \f(b,a)= eq \r(2)+1(负值舍去).
5.已知抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,过F作斜率为2的直线l与抛物线交于A,B两点,若弦AB的中点到抛物线准线的距离为3,则抛物线的方程为( )
A.y2= eq \f(12,5)x
B.y2= eq \f(24,5)x
C.y2=12x
D.y2=6x
解析 因为直线l的方程为y=2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(p,2))),
即y=2x-p,由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y2=2px,,y=2x-p,))消去y,
得4x2-6px+p2=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2= eq \f(3p,2),
又因为弦AB的中点到抛物线的准线的距离为3,所以|AB|=6,
而|AB|=x1+x2+p,所以x1+x2=6-p,
故 eq \f(3p,2)=6-p,解得p= eq \f(12,5),
所以抛物线的方程为y2= eq \f(24,5)x.
6.(多选)以y轴为对称轴的抛物线的通径(过焦点且与对称轴垂直的弦)长为8,若抛物线的顶点在坐标原点,则其方程可以为( )
A.x2=4y
B.x2=-4y
C.x2=8y
D.x2=-8y
解析 设抛物线方程为x2=2py或x2=-2py(p>0),
依题意将y= eq \f(p,2)代入x2=2py,
或将y=- eq \f(p,2)代入x2=-2py得|x|=p,
∴2|x|=2p=8,p=4,
∴抛物线方程为x2=8y或x2=-8y.
7.若抛物线y2=2px(p>0)上一点M到准线及对称轴的距离分别为10和6,则其标准方程为 .
解析 ∵点M到对称轴的距离为6,∴不妨设点M的坐标为(x,6).又∵点M到准线的距离为10,
∴ eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(62=2px,,x+\f(p,2)=10,))解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=9,,p=2))或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=1,,p=18.))
故抛物线的标准方程为y2=4x或y2=36x.
8.已知抛物线y= eq \f(1,2)x2上距离点A(0,a)(a>0)最近的点恰好是其顶点,则a的取值范围是 .
解析 设点P(x,y)(y≥0)为抛物线上任意一点,
则点P到点A(0,a)的距离的平方为
|AP|2=x2+(y-a)2=x2+y2-2ay+a2.
∵x2=2y,
∴|AP|2=2y+y2-2ay+a2=y2+2(1-a)y+a2(y≥0),
∴对称轴为直线y=a-1.
∵离点A(0,a)最近的点恰好是顶点,
∴a-1≤0,解得a≤1.
又a>0,∴0<a≤1.
9.(2023·洛阳联考)已知等边三角形AOB的顶点A,B在抛物线y2=x上,O为坐标原点,点A到抛物线的焦点F的距离等于 eq \f(13,4),求△AOB的面积.
解 ∵△AOB是等边三角形,
∴顶点A,B关于抛物线y2=x的对称轴(x轴)对称.
不妨设A( eq \r(3)y0,y0)(y0>0),
则B( eq \r(3)y0,-y0).
由|AF|= eq \r(3)y0+ eq \f(1,4)= eq \f(13,4),解得y0= eq \r(3),
∴△AOB的边长为|AB|=2y0=2 eq \r(3),
∴S△AOB= eq \f(\r(3),4)×(2 eq \r(3))2=3 eq \r(3),
即△AOB的面积为3 eq \r(3).
10.(2024·徐州一中月考)已知抛物线的方程为y2=2px(p>0),过此抛物线焦点的直线与抛物线交于A,B两点,且|AB|= eq \f(5,2)p,求AB所在直线的方程.
解 ∵过焦点的弦长|AB|= eq \f(5,2)p,
∴弦所在直线的斜率存在且不为零.
设直线AB的斜率为k(k≠0),A(x1,y1),B(x2,y2).
∵抛物线y2=2px的焦点为F eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(p,2),0)),
∴直线AB的方程为y=k eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(p,2))).
由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=k\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(p,2))),,y2=2px,))整理得k2x2-(k2p+2p)x+ eq \f(1,4)k2p2=0,∴x1+x2= eq \f(k2p+2p,k2),
∴|AB|=x1+x2+p= eq \f(k2p+2p,k2)+p= eq \f(5,2)p,
∴k=±2.故AB所在直线的方程为y=2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(p,2)))或y=-2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(p,2))).
能力提升
11.若正三角形的顶点都在抛物线y2=4x上,其中一个顶点恰为坐标原点,则这个三角形的面积是( )
A.48 eq \r(3)
B.24 eq \r(3)
C. eq \f(16\r(3),9)
D.46 eq \r(3)
解析 设三角形其中一个顶点为(x,2 eq \r(x)),
因为三角形是正三角形,
所以 eq \f(2\r(x),x)=tan 30°= eq \f(\r(3),3),即 eq \f(4,x)= eq \f(1,3),解得x=12,
所以三角形的一个顶点为坐标原点,另外两个顶点分别为(12,4 eq \r(3)),(12,-4 eq \r(3)),
所以三角形的面积为S= eq \f(1,2)×12×(4 eq \r(3)+4 eq \r(3))=48 eq \r(3).
12.(多选)已知直线l过抛物线C:y2=-2px(p>0)的焦点,且与该抛物线交于M,N两点.若线段MN的长是16,MN的中点到y轴的距离是6,O为坐标原点,则( )
A.抛物线C的方程是y2=-8x
B.抛物线C的准线方程为x=3
C.直线l的斜率为1
D.△MON的面积为8 eq \r(2)
解析 由直线l过抛物线的焦点,|MN|=16,MN的中点到y轴的距离是6,
结合抛物线的定义可知 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(6+\f(p,2)))×2=16,解得p=4,
所以抛物线C的方程为y2=-8x,准线方程为x=2,所以A选项正确,B选项错误.
抛物线C的焦点坐标为F(-2,0),设直线l的方程为x=my-2,联立 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=my-2,,y2=-8x,))消去x并化简,得y2+8my-16=0.
设M(x1,y1),N(x2,y2),则y1+y2=-8m,x1+x2=m(y1+y2)-4=-8m2-4.
所以|MN|=8m2+4+4=16,解得m=±1,所以C选项错误.
当m=1时,直线l的方程为x=y-2,
即x-y+2=0,原点O到直线l的距离为 eq \f(2,\r(2))= eq \r(2),所以S△MON= eq \f(1,2)×16× eq \r(2)=8 eq \r(2).
当m=-1时,同理求得S△MON=8 eq \r(2),所以D选项正确.故选AD.
13.过抛物线C:y2=4x的焦点F的直线l交C于点A,B,线段AB的中点M的纵坐标为1,则直线AB的斜率k为 ;线段AB的长度为 .
解析 抛物线y2=4x的焦点为F(1,0),
设直线l的方程为y=k(x-1).
设A(x1,y1),B(x2,y2),
联立直线与抛物线方程,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=k(x-1),,y2=4x,))
可得y=k eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(y2,4)-1)),即ky2-4y-4k=0,
则y1+y2= eq \f(4,k)=2,
∴k=2,则直线l的方程为y=2(x-1),
联立直线与抛物线方程,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(y=2(x-1),,y2=4x,))
消去y得x2-3x+1=0,
∴x1+x2=3,∴|AB|=x1+x2+2=5.
多元数学
14.(数学运算)已知抛物线C:y2=2px(p>0)焦点F的横坐标等于椭圆 eq \f(x2,16)+ eq \f(y2,15)=1的离心率.
(1)求抛物线C的方程;
(2)过(1,0)作直线l交抛物线C于A,B两点,判断原点与以线段AB为直径的圆的位置关系,并说明理由.
解 (1)由椭圆 eq \f(x2,16)+ eq \f(y2,15)=1,可得e= eq \r(1-\f(15,16))= eq \f(1,4),故F eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),0)),
∴抛物线C的方程为y2=x.
(2)由题可设直线l的方程为x=my+1,
由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=my+1,,y2=x))得y2-my-1=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则
y1y2=-1,
又y eq \o\al(2,1)=x1,y eq \o\al(2,2)=x2,故x1x2=y eq \o\al(2,1)y eq \o\al(2,2)=1,
∴ eq \o(OA,\s\up15(→))· eq \o(OB,\s\up15(→))=x1x2+y1y2=1-1=0,
∴ eq \o(OA,\s\up15(→))⊥ eq \o(OB,\s\up15(→)),即OA⊥OB,
故原点在以线段AB为直径的圆上.
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