内容正文:
2027届高三一轮复习解析几何回归教材版讲义
——12 圆锥曲线中的最值或范围问题
知识梳理:
1、处理圆锥曲线最值问题的求解方法
圆锥曲线中的最值问题类型较多,解法灵活多变,但总体上主要有两种方法:一是利用几何法,即通过利用曲线的定义、几何性质以及平面几何中的定理、性质等进行求解;二是利用代数法,即把要求最值的几何量或代数表达式表示为某个(些)参数的函数(解析式),然后利用函数方法、不等式方法等进行求解.
2、圆锥曲线中取值范围问题的五种常用解法
(1)利用圆锥曲线的几何性质或判别式构造不等关系,从而确定参数的取值范围.
(2)利用已知参数的范围,求新参数的范围,解决这类问题的核心是建立两个参数之间的等量关系.
(3)利用隐含的不等关系建立不等式,从而求出参数的取值范围.
(4)利用已知的不等关系构造不等式,从而求出参数的取值范围.
(5)利用求函数值域的方法将待求量表示为其他变量的函数,求其值域,从而确定参数的取值范围.
回归教材:
【人教A版选择性必修一习题3.1第12题】已知地球运行的轨道是长半轴长,离心率的椭圆,且太阳在这个椭圆的一个焦点上,求地球到太阳的最大和最小距离.
【人教A版选择性必修一习题3.1第13题】已知椭圆,直线.椭圆上是否存在一点,使得:
(1)它到直线l的距离最小?最小距离是多少?
(2)它到直线l的距离最大?最大距离是多少?
【人教B版选择性必修一复习题03C组第6题】过椭圆的中心作一条直线交椭圆于P,Q两点,F是椭圆的一个焦点,求的周长的最小值。
【人教B版选择性必修一复习题03B组第15题】已知直线与椭圆相交于A,B两点,当m变化时,求的最大值。
【人教B版选择性必修一复习题03A组第18题】已知直线与椭圆相交于不同的两点,求的取值范围。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第4题】已知直线和椭圆,分别求直线与椭圆C有两个公共点、只有一个公共点和没有公共点时的取值范围。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第5题】如果直线与双曲线没有公共点,求的取值范围。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第6题】过原点的直线与双曲线相交于两点,求的斜率的取值范围。
【人教B版选择性必修一习题2—7C第1题】已知抛物线,且P是抛物线上一点:
(1)设抛物线的焦点,,求的最小值,并求出取得最小值时点P的坐标。
(2)设M的坐标为,求的最小值(用m表示),并求出取得最小值时点P的坐标。
【人教B版选择性必修一习题2—7C第2题】已知抛物线的顶点在原点,焦点为,设点到抛物线上的点的距离的最小值为,求的表达式。
【人教B版选择性必修一习题2—7B第4题】求抛物线上到点距离最近的点的坐标。
【人教B版选择性必修一习题2—7B第5题】已知点P是抛物线上到直线的距离最短的点,求P点的坐标。
【人教B版选择性必修一第2.7.2节练习B第5题】已知抛物线和点,点M在此抛物线上运动,求点M到点A的距离的最小值,并指出取得最小值时点M的坐标。
【人教B版选择性必修一习题2-6B第2题】已知P是双曲线上一点,,求的最小值。
【人教B版选择性必修一第2.6.2节例3】已知双曲线的左焦点为F,且P是双曲线上的一点,求的最小值。
【人教B版选择性必修一习题2-5C第3题】已知点,而且是椭圆的左焦点,P是椭圆上任意一点,求的最小值和最大值。
【人教B版选择性必修一第2.5.2节例3】已知椭圆的左焦点为F,且P是椭圆上的一点,求的最小值与最大值。
考点梳理:
椭圆中的最值与范围问题
例、设B是椭圆C:+y2=1的上顶点,点P在C上,则|PB|的最大值为( )
A. B.
C. D.2
例、设A,B是椭圆C:+=1长轴的两个端点,若C上存在点M满足∠AMB=120°,则m的取值范围是( )
A.(0,1]∪[9,+∞) B.(0,]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞) D.(0,]∪[4,+∞)
例.(多选)已知椭圆C:+=1(b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,点P(,1)在椭圆内部,点Q在椭圆上,椭圆C的离心率为e,则下列说法正确的是( )
A.离心率e的取值范围为
B.存在点Q,使得+=0
C.当e=时,|QF1|+|QP|的最大值为4+
D.+的最小值为1
例.在平面直角坐标系xOy中,P是椭圆+=1上的一个动点,点A(1,1),B(0,-1),则|PA|+|PB|的最大值为________.
例、已知F1,F2分别是椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点,若椭圆上存在点P,使∠F1PF2=90°,则椭圆的离心率e的取值范围为________.
例、已知抛物线C:x2=2py(p>0)的焦点为F,且F与圆M:x2+(y+4)2=1上点的距离的最小值为4.
(1)求p;
(2)若点P在M上,PA,PB是C的两条切线,A,B是切点,求△PAB面积的最大值.
双曲线中的最值与范围问题
例、已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的两个顶点分别为A1,A2,F为双曲线的一个焦点,B为虚轴的一个端点,若在线段BF上(不含端点)存在两点P1,P2,使得∠A1P1A2=∠A1P2A2=,则双曲线的渐近线的斜率k的平方的取值范围是( )
A. B.
C. D.
例、已知P是双曲线C:-y2=1右支上一点,直线l是双曲线C的一条渐近线,P在l上的射影为Q,F1是双曲线C的左焦点,则|PF1|+|PQ|的最小值为( )
A.1 B.2+ C.4+ D.2+1
例、已知为坐标原点,直线与双曲线的两条渐近线分别交于,两点,若的面积为8,则的焦距的最小值为( )
A. 4 B. 8 C. 16 D. 32
例、已知是双曲线的右焦点,是左支上一点.,当的值最小时,在轴上找一点,使的值最小,最小值为( )
A. B. 10 C. D.
例、已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,若在C上存在点P(不是顶点),使得∠PF2F1=3∠PF1F2,则C的离心率的取值范围为________.
例.已知双曲线-=1(a>0,b>0)的渐近线上一点与右焦点F(2,0)的最短距离为.
(1)求双曲线的方程;
(2)O为坐标原点,直线x=ty+2与双曲线的右支交于A,B两点,与渐近线交于C,D两点,A与C在x轴的上方,B与D在x轴的下方.
①求实数t的取值范围;
②设S1,S2分别为△AOC的面积和△BOD的面积,求S1+S2的最大值.
小结:
求解与双曲线有关的范围(或最值)问题的方法
(1)几何法:如果题中给出的条件有明显的几何特征,那么可以考虑用图形的性质来求解,特别是用双曲线的定义和平面几何的有关结论来求解.
(2)代数法:若题中给出的条件和结论的几何特征不明显,则可以建立目标函数,将双曲线的范围(或最值)问题转化为二次函数或三角函数等函数的范围(或最值)问题,然后利用配方法、判别式法、基本不等式法、函数的单调性及三角函数的有界性等求解.
(3)不等式法:借助题目给出的不等信息列出不等关系式求解.
抛物线中的最值与范围问题
例.记抛物线E:y2=4x的焦点为F,点A在E上,B(2,1),则|AF|+|AB|的最小值为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
例、已知抛物线C:y2=4x与圆E:(x-1)2+y2=9相交于A,B两点,点M为劣弧上不同于A,B的一个动点,平行于x轴的直线MN交抛物线于点N,则△MNE周长的取值范围为( )
A.(3,5) B.(5,7)
C.(6,8) D.(6,8]
例.(多选)设F是抛物线C:y2=4x的焦点,直线l过点F,且与抛物线C交于A,B两点,O为坐标原点,则下列结论正确的是( )
A.|AB|≥4
B.|OA|+|OB|>8
C.若点P(2,2),则|PA|+|AF|的最小值是3
D.△OAB的面积的最小值是2
例.已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,若点Q是抛物线C上到点(4,0)的距离最近的点,则|QF|=________.
小结:
与抛物线有关的最值问题的两个转化策略
(1)将抛物线上的点到准线的距离转化为该点到焦点的距离,构造出“两点之间线段最短”,使问题得解.
(2)将抛物线上的点到焦点的距离转化为到准线的距离,利用“与直线上所有点的连线中垂线段最短”原理解决.
跟踪练习:
1.已知曲线C由抛物线y2=2x及抛物线y2=-2x组成,A(1,2),B(-1,2),M,N是曲线C上关于y轴对称的两点(A,B,M,N四点不共线,且点M在第一象限),则四边形ABNM周长的最小值为( )
A.2+ B.1+
C.3 D.4
2.已知点M在椭圆+=1上运动,点N在圆x2+(y-1)2=1上运动,则|MN|的最大值为( )
A.1+ B.1+2
C.5 D.6
3.已知F是椭圆+=1的左焦点,P是椭圆上一动点,若A(1,1),则|PA|+|PF|的最小值为( )
A.6- B.6-
C.6- D.6-
4、已知直线l1:3x-4y-6=0和直线l2:y=-2,抛物线x2=4y上一动点P到直线l1和直线l2的距离之和的最小值是( )
A.2 B.3
C. D.
5.已知F1,F2分别是双曲线-=1(a>b>0)的左、右焦点,以F2为圆心,a为半径的圆与双曲线的一条渐近线交于A,B两点,若3|AB|>|F1F2|,则双曲线离心率的取值范围是( )
A. B.
C.(1,) D.(1,)
6.设B是椭圆C:+=1(a>b>0)的上顶点,若C上的任意一点P都满足|PB|≤2b,则C的离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
7.已知点在双曲线上,到两条渐近线的距离为,,若恒成立,则的离心率的最大值为( )
A. B. C. 2 D.
8、(多选)已知F是抛物线y2=4x的焦点,P是抛物线y2=4x上一动点,Q是⊙C:(x-4)2+(y-1)2=1上一动点,则下列说法正确的是( )
A.|PF|的最小值为1
B.|QF|的最小值为
C.|PF|+|PQ|的最小值为4
D.|PF|+|PQ|的最小值为+1
9.(多选)已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,点P在抛物线上,点Q(m,n),点P到点Q和到y轴的距离分别为d1,d2,则( )
A.抛物线C的准线方程为y=-1
B.若m=n=1,则△PQF周长的最小值为3
C.若(m-3)2+n2=1,则d1的最小值为2
D.若m-n=-4,则d1+d2的最小值为-1
10.设椭圆的对称轴为坐标轴,短轴的一个端点与两焦点是同一个正三角形的顶点,焦点与椭圆上的点的最短距离为,则这个椭圆的方程为________,离心率为________.
11.已知椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,半焦距为c.在椭圆上存在点P使得=,则椭圆离心率的取值范围是________.
12.已知直线y=a交抛物线y=x2于A,B两点.若该抛物线上存在点C,使得∠ACB为直角,则实数a的取值范围为________.
13.在平面直角坐标系xOy中,以点F1(4,0),F2(8,9)为焦点的动椭圆与双曲线-=1的右支有公共点,则椭圆通径的最小值为________.
14.已知F1,F2分别为椭圆W:+y2=1的左、右焦点,M为椭圆W上的一点.
(1)若点M的坐标为(1,m)(m>0),求△F1MF2的面积;
(2)若点M的坐标为(x0,y0),且∠F1MF2是钝角,求横坐标x0的取值范围.
15、如图,已知椭圆C1:+y2=1,抛物线C2:y2=2px(p>0),点A是椭圆C1与抛物线C2的交点,过点A的直线l交椭圆C1于点B,交抛物线C2于点M(B,M不同于A).
(1)若p=,求抛物线C2的焦点坐标;
(2)若存在不过原点的直线l使M为线段AB的中点,求p的最大值.
16.已知椭圆C1的方程为+y2=1,双曲线C2的左、右焦点分别是C1的左、右顶点,而C2的左、右顶点分别是C1的左、右焦点,O为坐标原点.
(1)求双曲线C2的方程;
(2)若直线l:y=kx+与双曲线C2恒有两个不同的交点A和B,且·>2,求k的取值范围.
17.已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,且|F1F2|=4,若C上的点M满足||MF1|-|MF2||=2恒成立.
(1)求双曲线C的方程;
(2)若过点M的直线l与C的两条渐近线分别交于点P,Q,且|MP|=|MQ|.
(ⅰ)证明:l与C有且仅有一个交点;
(ⅱ)设O为坐标原点,求+的取值范围.
18、已知点A,B的坐标分别是(-,0),(,0),动点M(x,y)满足直线AM和BM的斜率之积为-3,记M的轨迹为曲线E.
(1)求曲线E的方程;
(2)直线y=kx+m与曲线E相交于P,Q两点,若曲线E上存在点R,使得四边形OPRQ为平行四边形(其中O为坐标原点),求m的取值范围.
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2027届高三一轮复习解析几何回归教材版讲义
——12 圆锥曲线中的最值或范围问题
知识梳理:
1、处理圆锥曲线最值问题的求解方法
圆锥曲线中的最值问题类型较多,解法灵活多变,但总体上主要有两种方法:一是利用几何法,即通过利用曲线的定义、几何性质以及平面几何中的定理、性质等进行求解;二是利用代数法,即把要求最值的几何量或代数表达式表示为某个(些)参数的函数(解析式),然后利用函数方法、不等式方法等进行求解.
2、圆锥曲线中取值范围问题的五种常用解法
(1)利用圆锥曲线的几何性质或判别式构造不等关系,从而确定参数的取值范围.
(2)利用已知参数的范围,求新参数的范围,解决这类问题的核心是建立两个参数之间的等量关系.
(3)利用隐含的不等关系建立不等式,从而求出参数的取值范围.
(4)利用已知的不等关系构造不等式,从而求出参数的取值范围.
(5)利用求函数值域的方法将待求量表示为其他变量的函数,求其值域,从而确定参数的取值范围.
回归教材:
【人教A版选择性必修一习题3.1第12题】已知地球运行的轨道是长半轴长,离心率的椭圆,且太阳在这个椭圆的一个焦点上,求地球到太阳的最大和最小距离.
【答案】1.5288×108km,1.4712×108km
【分析】根据地球到太阳的最大距离是a+c,最小距离是a﹣c,即可求得结论.
【详解】∵椭圆的长半轴长约为1.5×108km,离心率e=0.0192,∴半焦距约为2.88×106km,
∴地球到太阳的最大距离是1.5×108+2.88×106=1.5288×108km,
最小距离是1.5×108﹣2.88×106=1.4712×108km.
【人教A版选择性必修一习题3.1第13题】已知椭圆,直线.椭圆上是否存在一点,使得:
(1)它到直线l的距离最小?最小距离是多少?
(2)它到直线l的距离最大?最大距离是多少?
【答案】(1)存在点到直线距离最小,最小值为;(2)存在点到直线距离最大,最大值为.
【分析】设椭圆上点,利用点到直线距离公式求出距离,根据三角函数的性质可求得.
【详解】设椭圆上点,
则点到直线距离
,其中,
(1)当时,,
此时,即,
所以,,
所以存在点到直线距离最小,最小值为;
(2)当时,,此时,
即,所以,,
所以存在点到直线距离最大,最大值为。
【人教B版选择性必修一复习题03C组第6题】过椭圆的中心作一条直线交椭圆于P,Q两点,F是椭圆的一个焦点,求的周长的最小值。
【答案】
【解析】由椭圆对称性:中心弦满足,设椭圆另一焦点为,连接,
四边形为平行四边形,故,周长,
由椭圆定义:,因此,只需最小化弦长,过椭圆中心的弦,
最短为短轴长,所以周长最小值。
【人教B版选择性必修一复习题03B组第15题】已知直线与椭圆相交于A,B两点,当m变化时,求的最大值。
【答案】
【解析】联立,消去得:。设。
。韦达定理:。
由弦长公式知,当时,最大,。
【人教B版选择性必修一复习题03A组第18题】已知直线与椭圆相交于不同的两点,求的取值范围。
【答案】或
【解析】联立,代入得:,相交于两个不同点:
,解得或。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第4题】已知直线和椭圆,分别求直线与椭圆C有两个公共点、只有一个公共点和没有公共点时的取值范围。
【答案】两个公共点:或;一个公共点:;无公共点:。
【解析】联立,整理:。
(1),两个交点;
(2),相切,一个交点;
(3),无交点。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第5题】如果直线与双曲线没有公共点,求的取值范围。
【答案】
【解析】联立,代入:。
由题意知,且,所以,
综上:。
【人教B版选择性必修一习题2—8A第6题】过原点的直线与双曲线相交于两点,求的斜率的取值范围。
【答案】
【解析】设直线,联立,代入整理得,
要有两个实根,要求,,即,
因为双曲线渐近线斜率,直线斜率绝对值小于渐近线斜率才能和双曲线两支相交。
【人教B版选择性必修一习题2—7C第1题】已知抛物线,且P是抛物线上一点:
(1)设抛物线的焦点,,求的最小值,并求出取得最小值时点P的坐标。
(2)设M的坐标为,求的最小值(用m表示),并求出取得最小值时点P的坐标。
【答案】(1)最小值,;(2)见解析。
【解析】(1)抛物线,焦点,准线。
抛物线定义:等于到准线距离。。
过作准线垂线,垂线方程,交抛物线于即为取最小值点。
代入,,最小值:。
(2)设,令,,对称轴。
① :最小,,对应;
② :最小,,对应。
【人教B版选择性必修一习题2—7C第2题】已知抛物线的顶点在原点,焦点为,设点到抛物线上的点的距离的最小值为,求的表达式。
【答案】
【解析】焦点,抛物线开口向左,标准方程:。设抛物线上任意一点,
满足。二次函数,对称轴:。
(1)若对称轴,即,
则在取最小值,,
。
(2)若对称轴,即,
则在单调递减,在取最小值,,。
综上,的表达式为。
【人教B版选择性必修一习题2—7B第4题】求抛物线上到点距离最近的点的坐标。
【答案】
【解析】设抛物线上点,满足。令,对称轴。
时,,此时。最近点坐标:。
【人教B版选择性必修一习题2—7B第5题】已知点P是抛物线上到直线的距离最短的点,求P点的坐标。
【答案】
【解析】方法一:设,点到直线距离公式二次函数,当取得最小值。
此时,即。
方法二:切线法。抛物线切线平行于,斜率。。
【人教B版选择性必修一第2.7.2节练习B第5题】已知抛物线和点,点M在此抛物线上运动,求点M到点A的距离的最小值,并指出取得最小值时点M的坐标。
【答案】最小值;对应点
【解析】设。,
因为,则时最小,,对应。
【人教B版选择性必修一习题2-6B第2题】已知P是双曲线上一点,,求的最小值。
【答案】
【解析】双曲线:。设二次函数,
对称轴。区间在对称轴右侧,单调递增;单调递减。处取得最小值:
,。
【人教B版选择性必修一第2.6.2节例3】已知双曲线的左焦点为F,且P是双曲线上的一点,求的最小值。
【答案】
【解析】双曲线左焦点。由双曲线定义:设右焦点。
若在左支:;
若在右支:。右支上点到左焦点距离恒大于;
左支上,当为左顶点时,距离最小:
【人教B版选择性必修一习题2-5C第3题】已知点,而且是椭圆的左焦点,P是椭圆上任意一点,求的最小值和最大值。
【答案】最大值;最小值
【解析】椭圆:。左焦点,右焦点。椭圆定义:,由三角不等式知,最大值:;最小值:。
【人教B版选择性必修一第2.5.2节例3】已知椭圆的左焦点为F,且P是椭圆上的一点,求的最小值与最大值。
【答案】最大值,最小值
【解析】椭圆左焦点。设,椭圆焦半径公式:左焦半径
,函数单调递增:
时,;时,。
几何理解:椭圆上点到左焦点最远为右顶点,最近为左顶点。
考点梳理:
椭圆中的最值与范围问题
例、设B是椭圆C:+y2=1的上顶点,点P在C上,则|PB|的最大值为( )
A. B.
C. D.2
答案:A
解析:由P在C上,设P(x0,y0),则+y=1,又B(0,1),所以|PB|2=x+(y0-1)2,由+y=1,得x=5-5y,y0∈[-1,1],代入上式,得|PB|2=5-5y+(y0-1)2,化简,得|PB|2=-4+,
y0∈[-1,1].因此当且仅当y0=-时,|PB|取得最大值.故选A.
例、设A,B是椭圆C:+=1长轴的两个端点,若C上存在点M满足∠AMB=120°,则m的取值范围是( )
A.(0,1]∪[9,+∞) B.(0,]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞) D.(0,]∪[4,+∞)
答案:A
解析:由题意知,当M在短轴顶点时,∠AMB最大.①如图1,当焦点在x轴,即m<3时,a=,b=,tanα=≥tan60°=,∴0<m≤1.
②如图2,当焦点在y轴,即m>3时,a=,b=,tanα=≥tan60°=,∴m≥9.综上,m的取值范围是(0,1]∪[9,+∞).故选A.
例.(多选)已知椭圆C:+=1(b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,点P(,1)在椭圆内部,点Q在椭圆上,椭圆C的离心率为e,则下列说法正确的是( )
A.离心率e的取值范围为
B.存在点Q,使得+=0
C.当e=时,|QF1|+|QP|的最大值为4+
D.+的最小值为1
答案:ACD
解析:对于A,∵点P(,1)在椭圆C:+=1(b>0)的内部,∴+<1,∴b2>2,又椭圆焦点在x轴上,∴b2<4,∴2<b2<4,又a2=4,∴e2===1-,又b2∈(2,4),∴e2∈,∴e∈,∴A正确;对于B,若存在点Q,使得+=0,则Q只能是原点O,与点Q在椭圆上矛盾,∴B错误;对于C,当e=时,e2===,∴c=,∴F2,又P(,1),∴|PF2|=,∵点Q在椭圆上,∴|QF1|+|QF2|=2a=4,∴|QF1|+|QP|=4-|QF2|+|QP|≤4+|PF2|=4+,当且仅当Q为PF2的延长线与椭圆交点时取等号,∴|QF1|+|QP|的最大值为4+,∴C正确;对于D,∵点Q在椭圆上,∴|QF1|+|QF2|=2a=4,∴+=(|QF1|+|QF2|)=×≥×(2+2)=1,当且仅当|QF1|=|QF2|=2时取等号,∴+的最小值为1,∴D正确.故选ACD.
例.在平面直角坐标系xOy中,P是椭圆+=1上的一个动点,点A(1,1),B(0,-1),则|PA|+|PB|的最大值为________.
答案:5
解析:∵椭圆的方程为+=1,∴a2=4,b2=3,c2=1,∴B(0,-1)是椭圆的一个焦点,设另一个焦点为C(0,1),如图所示,根据椭圆的定义知,|PB|+|PC|=4,∴|PB|=4-|PC|,∴|PA|+|PB|=4+|PA|-|PC|≤4+|AC|=5,即|PA|+|PB|的最大值为5.
例、已知F1,F2分别是椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点,若椭圆上存在点P,使∠F1PF2=90°,则椭圆的离心率e的取值范围为________.
答案:
解析:若椭圆上存在点P,使得∠F1PF2=90°,则以原点为圆心,F1F2为直径的圆与椭圆必有交点,如图,可得c≥b,即c2≥b2,所以2c2≥a2,即e2≥,又e<1,所以e的取值范围是.
例、已知抛物线C:x2=2py(p>0)的焦点为F,且F与圆M:x2+(y+4)2=1上点的距离的最小值为4.
(1)求p;
(2)若点P在M上,PA,PB是C的两条切线,A,B是切点,求△PAB面积的最大值.
解:(1)因为焦点F到圆M:x2+(y+4)2=1上点的距离的最小值为|FM|-1=+4-1=+3,
所以+3=4,所以p=2.
(2)解法一:由(1)知抛物线C:x2=4y,即y=,所以y′=.设切点A,切点B,
则lPA:y=x-,lPB:y=x-.从而可得P.
由题意可知直线AB的斜率存在,设lAB:y=kx+b,与抛物线C:x2=4y联立,
得消去y,得x2-4kx-4b=0,则Δ=16k2+16b>0,即k2+b>0,
且x1+x2=4k,x1x2=-4b,所以P(2k,-b).
因为|AB|=·=·,点P到直线AB的距离d=,
所以S△PAB=|AB|·d=··=4(k2+b).(*)
又点P(2k,-b)在圆M:x2+(y+4)2=1上,所以k2=.
将该式代入(*)式,得S△PAB=4.而yP=-b∈[-5,-3],所以b∈[3,5].
所以当b=5时,△PAB的面积最大,最大值为20.
解法二:由(1)知抛物线C:x2=4y,即y=,所以y′=.
设切点A(x1,y1),切点B(x2,y2),圆M上任意一点P(x0,y0),
则易得lPA:y=x-,lPB:y=x-,联立得P.
所以x0=,y0=,又线段AB的中点Q的坐标为,
所以S△PAB=|PQ|·|x1-x2|=·|x1-x2|=·|x1-x2|
=|x1-x2|3=()3=()3=()3=()3.(*)
又点P(x0,y0)在圆M:x2+(y+4)2=1上,所以x=1-(y0+4)2,代入(*)式,
得S△PAB=(-y-12y0-15).
而y0∈[-5,-3],所以当y0=-5时,△PAB的面积最大,且最大值为20.
双曲线中的最值与范围问题
例、已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的两个顶点分别为A1,A2,F为双曲线的一个焦点,B为虚轴的一个端点,若在线段BF上(不含端点)存在两点P1,P2,使得∠A1P1A2=∠A1P2A2=,则双曲线的渐近线的斜率k的平方的取值范围是( )
A. B.
C. D.
[答案] A
[解析]不妨设点F为双曲线的左焦点,点B在y轴正半轴上,则F(-c,0),B(0,b),直线BF的方程为bx-cy=-bc.如图所示,以O为圆心,A1A2为直径作圆O,则P1,P2在圆O上.由题意可知解得1<2<,即双曲线的渐近线的斜率k的平方的取值范围是.
例、已知P是双曲线C:-y2=1右支上一点,直线l是双曲线C的一条渐近线,P在l上的射影为Q,F1是双曲线C的左焦点,则|PF1|+|PQ|的最小值为( )
A.1 B.2+ C.4+ D.2+1
【答案】D
解析:设双曲线的右焦点为F2,因为|PF1|-|PF2|=2,所以|PF1|=2+|PF2|,则|PF1|+|PQ|=2+|PF2|+|PQ|,当且仅当Q,P,F2三点共线,且P在Q,F2之间时,|PF2|+|PQ|最小,且最小值为点F2到直线l的距离.由题意可得直线l的方程为y=±x,焦点F2(,0),点F2到直线l的距离d=1,故|PF1|+|PQ|的最小值为2+1.
例、已知为坐标原点,直线与双曲线的两条渐近线分别交于,两点,若的面积为8,则的焦距的最小值为( )
A. 4 B. 8 C. 16 D. 32
【答案】B
[解析]由题意知,双曲线的渐近线方程为, 直线与双曲线的两条渐近线分别交于,两点,不妨设点在第一象限,点在第四象限,联立解得故,联立解得
故,,. 双曲线,
其焦距为,
当且仅当时取等号,的焦距的最小值为8.故选.
例、已知是双曲线的右焦点,是左支上一点.,当的值最小时,在轴上找一点,使的值最小,最小值为( )
A. B. 10 C. D.
【答案】A
[解析]设双曲线左焦点的坐标为,根据双曲线的定义可知,所以当的值最小时,的值最小,此时,,三点共线.直线的方程为,与双曲线方程联立消去并化简得,解得或(舍去),所以,故,则关于轴对称的点为,连接,交轴于(图略),此时取得最小值,且最小值为.
例、已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,若在C上存在点P(不是顶点),使得∠PF2F1=3∠PF1F2,则C的离心率的取值范围为________.
答案:(,2)
解析:设PF1与y轴交于点Q,连接QF2,则|QF1|=|QF2|,所以∠QF1F2=∠QF2F1,因为∠PF2F1=3∠PF1F2,故点P在双曲线的右支上,且∠PF2Q=∠PQF2=2∠PF1F2,故|PQ|=|PF2|,而|PF1|-|PF2|=2a,故|PF1|-|PF2|=|PF1|-|PQ|=|QF1|=2a,在Rt△QOF1中,|QF1|>|OF1|,即2a>c,故e=<2,由∠PF2F1=3∠PF1F2,且三角形的内角和为180°,得∠PF1F2<=45°,则cos∠PF1F2=>cos45°,即>,即e=>,所以C的离心率的取值范围为(,2).
例.已知双曲线-=1(a>0,b>0)的渐近线上一点与右焦点F(2,0)的最短距离为.
(1)求双曲线的方程;
(2)O为坐标原点,直线x=ty+2与双曲线的右支交于A,B两点,与渐近线交于C,D两点,A与C在x轴的上方,B与D在x轴的下方.
①求实数t的取值范围;
②设S1,S2分别为△AOC的面积和△BOD的面积,求S1+S2的最大值.
解:(1)设双曲线-=1的焦距为2c,且c=2,因为F(2,0)到直线bx-ay=0的距离为=,
故b=,则a==,故双曲线的方程为-=1.
(2)如图,①设A(x1,y1),B(x2,y2),
联立直线与双曲线的方程消元得(t2-1)y2+4ty+2=0,则
因为直线与双曲线的右支交于A,B两点,故y1y2=<0,则-1<t<1,故实数t的取值范围为(-1,1).②由①知,|AB|=|y1-y2|=·=,
原点O到直线AB的距离d=,设C(x3,y3),D(x4,y4),联立
则(t2-1)y2+4ty+4=0,y3+y4=,y3y4=,Δ=16>0,
则|CD|=|y3-y4|=·=,
而S1+S2=S△COD-S△AOB=||CD|-|AB||d=,
令m=∈[,2),则S1+S2===≤=4-2,
当且仅当m=,即t=0时取等号.
综上所述,S1+S2的最大值为4-2.
小结:
求解与双曲线有关的范围(或最值)问题的方法
(1)几何法:如果题中给出的条件有明显的几何特征,那么可以考虑用图形的性质来求解,特别是用双曲线的定义和平面几何的有关结论来求解.
(2)代数法:若题中给出的条件和结论的几何特征不明显,则可以建立目标函数,将双曲线的范围(或最值)问题转化为二次函数或三角函数等函数的范围(或最值)问题,然后利用配方法、判别式法、基本不等式法、函数的单调性及三角函数的有界性等求解.
(3)不等式法:借助题目给出的不等信息列出不等关系式求解.
抛物线中的最值与范围问题
例.记抛物线E:y2=4x的焦点为F,点A在E上,B(2,1),则|AF|+|AB|的最小值为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
答案:B
解析:如图,过点A作直线x=-1的垂线,垂足为E,过点B作直线x=-1的垂线,垂足为D,且与抛物线交于点A′,则|AF|+|AB|=|AE|+|AB|≥|BD|=3,当且仅当点A与点A′重合时取等号.所以|AF|+|AB|的最小值为3.故选B.
例、已知抛物线C:y2=4x与圆E:(x-1)2+y2=9相交于A,B两点,点M为劣弧上不同于A,B的一个动点,平行于x轴的直线MN交抛物线于点N,则△MNE周长的取值范围为( )
A.(3,5) B.(5,7)
C.(6,8) D.(6,8]
答案:C
解析:如图所示,圆E的圆心为(1,0),半径为3,抛物线的焦点为(1,0),准线方程为x=-1.
由解得或不妨令A(2,2),B(2,-2),所以2<xM<4.设平行于x轴的直线MN交抛物线的准线x=-1于点D,根据抛物线的定义可知|NE|=|ND|,所以△MNE的周长为|ME|+|NE|+|MN|=3+|ND|+|MN|=3+|MD|.而|MD|=xM+1∈(3,5),所以3+|MD|∈(6,8),即△MNE周长的取值范围是(6,8).故选C.
例.(多选)设F是抛物线C:y2=4x的焦点,直线l过点F,且与抛物线C交于A,B两点,O为坐标原点,则下列结论正确的是( )
A.|AB|≥4
B.|OA|+|OB|>8
C.若点P(2,2),则|PA|+|AF|的最小值是3
D.△OAB的面积的最小值是2
【答案】ACD
解析:如图,不妨设A在第一象限.
(1)若直线l斜率不存在,则A(1,2),B(1,-2),则|AB|=4,|OA|+|OB|=2|OA|=2,S△OAB=×4×1=2,显然B错误;
(2)若直线l斜率存在,设直线l斜率为k,则直线l的方程为y=k(x-1),显然k≠0,
联立方程组消元得:k2x2-(2k2+4)x+k2=0,设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2==2+,∴|AB|=x1+x2+2=4+>4,原点O到直线l的距离d=,∴S△OAB=×|AB|×d=××=2>2.
综上,|AB|≥4,S△OAB≥2,故A正确,D正确.过点A向准线作垂线,垂足为N,则|PA|+|AF|=|PA|+|AN|,又P(2,2)在抛物线右侧,故当P,A,N三点共线时,|PA|+|AF|取得最小值3,故C正确.故选A、C、D.
例.已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,若点Q是抛物线C上到点(4,0)的距离最近的点,则|QF|=________.
答案:3
解析:由题意知F(1,0),设Q(x0,y0),A(4,0),其中x0≥0,则|QA|===,∵点Q是抛物线C上到点(4,0)的距离最近的点,∴x0=2,∴|QF|=x0+1=3.
小结:
与抛物线有关的最值问题的两个转化策略
(1)将抛物线上的点到准线的距离转化为该点到焦点的距离,构造出“两点之间线段最短”,使问题得解.
(2)将抛物线上的点到焦点的距离转化为到准线的距离,利用“与直线上所有点的连线中垂线段最短”原理解决.
跟踪练习:
1.已知曲线C由抛物线y2=2x及抛物线y2=-2x组成,A(1,2),B(-1,2),M,N是曲线C上关于y轴对称的两点(A,B,M,N四点不共线,且点M在第一象限),则四边形ABNM周长的最小值为( )
A.2+ B.1+
C.3 D.4
解析:选B 设抛物线y2=2x的焦点为F,则四边形ABNM的周长:l=|AB|+2|AM|+2xM=2+2|AM|+2|MF|-1≥1+2|AF|=1+,当A,M,F共线时取等号.
2.已知点M在椭圆+=1上运动,点N在圆x2+(y-1)2=1上运动,则|MN|的最大值为( )
A.1+ B.1+2
C.5 D.6
答案:B
解析:设圆x2+(y-1)2=1的圆心为C(0,1),则|MN|≤|MC|+r=|MC|+1,设M(x0,y0),则+=1⇒x=18-2y,所以|MC|=====≤2,当且仅当y0=-1时取等号,所以|MN|≤|MC|+1≤2+1.故选B.
3.已知F是椭圆+=1的左焦点,P是椭圆上一动点,若A(1,1),则|PA|+|PF|的最小值为( )
A.6- B.6-
C.6- D.6-
答案:C
解析:椭圆+=1,则a=3,b=,c==2,如图,设椭圆的右焦点为F′(2,0),
则|PF|+|PF′|=2a=6,∴|PA|+|PF|=|PA|+6-|PF′|=6+|PA|-|PF′|,由图可知,当P在直线AF′(与椭圆的交点)上时,||PA|-|PF′||=|AF′|=;当P不在直线AF′(与椭圆的交点)上时,根据三角形的两边之差小于第三边有||PA|-|PF′||<|AF′|=,∴当P在F′A的延长线(与椭圆的交点)上时,|PA|-|PF′|取得最小值-,∴|PA|+|PF|的最小值为6-.故选C.
4、已知直线l1:3x-4y-6=0和直线l2:y=-2,抛物线x2=4y上一动点P到直线l1和直线l2的距离之和的最小值是( )
A.2 B.3
C. D.
答案:B
解析:抛物线x2=4y的焦点F(0,1),准线l:y=-1,设动点P到直线l,l1,l2的距离分别为d,d1,d2,点F到直线l1的距离为d3==2,由d2=d+1=|PF|+1,可得d1+d2=d1+|PF|+1≥d3+1=3,当且仅当PF⊥l1且P在F与l1之间时,等号成立,即动点P到直线l1和直线l2的距离之和的最小值是3.故选B.
5.已知F1,F2分别是双曲线-=1(a>b>0)的左、右焦点,以F2为圆心,a为半径的圆与双曲线的一条渐近线交于A,B两点,若3|AB|>|F1F2|,则双曲线离心率的取值范围是( )
A. B.
C.(1,) D.(1,)
答案:B
解析:设以F2(c,0)为圆心,a为半径的圆与双曲线的一条渐近线bx-ay=0交于A,B两点,则F2到渐近线bx-ay=0的距离d==b,所以|AB|=2,因为3|AB|>|F1F2|,所以3×2>2c,可得9a2-9b2>c2=a2+b2,即4a2>5b2=5c2-5a2,可得5c2<9a2,所以<,所以e<,又e>1,所以双曲线离心率的取值范围是.故选B.
6.设B是椭圆C:+=1(a>b>0)的上顶点,若C上的任意一点P都满足|PB|≤2b,则C的离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:依题意,B(0,b),设椭圆上一点P(x0,y0),则|y0|≤b,+=1,可得x=a2-y,则|PB|2=x+(y0-b)2=x+y-2by0+b2=-y-2by0+a2+b2=-++a2+b2≤4b2.因为当y0=-b时,|PB|2=4b2,所以-≤-b,得2c2≤a2,所以离心率e=∈.故选C.
7.已知点在双曲线上,到两条渐近线的距离为,,若恒成立,则的离心率的最大值为( )
A. B. C. 2 D.
【答案】A
[解析]双曲线的渐近线方程为,即,
如图,设双曲线上的点,则,即,则到两条渐近线的距离分别为,,所以.又,,恒成立,所以,整理得,即,则离心率,则的离心率的最大值为.故选.
8、(多选)已知F是抛物线y2=4x的焦点,P是抛物线y2=4x上一动点,Q是⊙C:(x-4)2+(y-1)2=1上一动点,则下列说法正确的是( )
A.|PF|的最小值为1
B.|QF|的最小值为
C.|PF|+|PQ|的最小值为4
D.|PF|+|PQ|的最小值为+1
答案:AC
解析:抛物线的焦点为F(1,0),准线方程为x=-1.对于A,由抛物线的性质可知,|PF|的最小值为|OF|=1,故A正确;对于B,注意到F是定点,由圆的性质可知,|QF|的最小值为|CF|-r=-1,故B错误;对于C,D,过点P作抛物线准线的垂线,垂足为M,由抛物线的定义可知|PF|=|PM|,故|PF|+|PQ|=|PM|+|PQ|,|PM|+|PQ|的最小值为点Q到准线x=-1的距离的最小值,故最小值为4,故C正确,D错误.故选AC.
9.(多选)已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,点P在抛物线上,点Q(m,n),点P到点Q和到y轴的距离分别为d1,d2,则( )
A.抛物线C的准线方程为y=-1
B.若m=n=1,则△PQF周长的最小值为3
C.若(m-3)2+n2=1,则d1的最小值为2
D.若m-n=-4,则d1+d2的最小值为-1
答案:BD
解析:对于A,由抛物线方程可知,抛物线的准线是l:x=-1,A错误;对于B,F(1,0),当m=n=1时,点Q到直线l的距离d3=2,△PQF的周长L=|PQ|+|PF|+1≥d3+1=3,B正确;对于C,因为(m-3)2+n2=1,所以Q(m,n)在圆上,圆心为M(3,0),所以d1≥|PM|-1,设P,则|PM|2=+t2=(t2-4)2+8≥8,所以|PM|≥2,所以d1的最小值为2-1,C错误;对于D,若m-n=-4,
则Q(m,n)在直线l1:x-y+4=0上,点F到直线l1的距离d4==,
d1+d2=d1+|PF|-1≥d4-1=-1,D正确.故选BD.
10.设椭圆的对称轴为坐标轴,短轴的一个端点与两焦点是同一个正三角形的顶点,焦点与椭圆上的点的最短距离为,则这个椭圆的方程为________,离心率为________.
答案:+=1或+=1
解析:焦点与椭圆上的点的最短距离为a-c=,又a=2c,∴c=,a=2,b=3,
∴椭圆的方程为+=1或+=1,离心率e==.
11.已知椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,半焦距为c.在椭圆上存在点P使得=,则椭圆离心率的取值范围是________.
答案:(-1,1)
解析:由=,得===,得|PF1|=,
又|PF1|∈(a-c,a+c),则a-c<<a+c,∴a2-c2<2ac<(a+c)2,即e2+2e-1>0,又e∈(0,1),
∴e∈(-1,1).
12.已知直线y=a交抛物线y=x2于A,B两点.若该抛物线上存在点C,使得∠ACB为直角,则实数a的取值范围为________.
答案:[1,+∞)
解析:如图,设C(x0,x)(x≠a),A(-,a),B(,a),
则=(--x0,a-x),=(-x0,a-x).
∵CA⊥CB,∴·=0,即-(a-x)+(a-x)2=0,(a-x)(-1+a-x)=0.
∴x=a-1≥0,∴a≥1.
13.在平面直角坐标系xOy中,以点F1(4,0),F2(8,9)为焦点的动椭圆与双曲线-=1的右支有公共点,则椭圆通径的最小值为________.
【答案】
解析:依题意知,F1(4,0)为双曲线的右焦点,设双曲线的左焦点为F,则F(-4,0),设点P为两曲线的交点,则由双曲线及椭圆的定义可知,|PF|-|PF1|=4,|PF1|+|PF2|=2a,则|PF|+|PF2|=2a+4≥|FF2|=
=15,所以有a≥.所以椭圆的通径为==2a-,这里2c=|F1F2|==,所以由函数的单调性知,当a=时,椭圆的通径最小,最小值为11-=.
14.已知F1,F2分别为椭圆W:+y2=1的左、右焦点,M为椭圆W上的一点.
(1)若点M的坐标为(1,m)(m>0),求△F1MF2的面积;
(2)若点M的坐标为(x0,y0),且∠F1MF2是钝角,求横坐标x0的取值范围.
解:(1)因为点M(1,m)在椭圆上,所以+m2=1,因为m>0,所以m=,
因为a=2,b=1,所以c==,所以F1(-,0),F2(,0),
所以S△F1MF2=|F1F2|m=×2×=.
(2)因为点M在椭圆上,所以-2≤x0≤2,
由余弦定理,得cos∠F1MF2==,
因为∠F1MF2是钝角,所以(x0+)2+y+(x0-)2+y-12<0,又因为y=1-,所以x<,
解得-<x0<,故横坐标x0的取值范围为.
15、如图,已知椭圆C1:+y2=1,抛物线C2:y2=2px(p>0),点A是椭圆C1与抛物线C2的交点,过点A的直线l交椭圆C1于点B,交抛物线C2于点M(B,M不同于A).
(1)若p=,求抛物线C2的焦点坐标;
(2)若存在不过原点的直线l使M为线段AB的中点,求p的最大值.
解:(1)由p=得C2的焦点坐标是.
(2)由题意可设直线l:x=my+t(m≠0,t≠0),点A(x0,y0).
将直线l的方程代入椭圆C1:+y2=1,消去x,得(m2+2)y2+2mty+t2-2=0,
所以点M的纵坐标yM=-.将直线l的方程代入抛物线C2:y2=2px,消去x,
得y2-2pmy-2pt=0,所以y0yM=-2pt,解得y0=,因此x0=.
由+y=1,得=42+24≥160,所以当m=,t=时,p取到最大值.
16.已知椭圆C1的方程为+y2=1,双曲线C2的左、右焦点分别是C1的左、右顶点,而C2的左、右顶点分别是C1的左、右焦点,O为坐标原点.
(1)求双曲线C2的方程;
(2)若直线l:y=kx+与双曲线C2恒有两个不同的交点A和B,且·>2,求k的取值范围.
解:(1)设双曲线C2的方程为-=1(a>0,b>0),则a2=4-1=3,c2=4,
再由a2+b2=c2,得b2=1,故双曲线C2的方程为-y2=1.
(2)将y=kx+代入-y2=1,得(1-3k2)x2-6kx-9=0.
由直线l与双曲线C2交于不同的两点,得
所以k2<1且k2≠.①
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=,x1x2=.
所以x1x2+y1y2=x1x2+(kx1+)(kx2+)=(k2+1)x1x2+k(x1+x2)+2=.
又因为·>2,即x1x2+y1y2>2,所以>2,即>0,解得<k2<3.②
由①②得<k2<1,故k的取值范围为∪.
17.已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,且|F1F2|=4,若C上的点M满足||MF1|-|MF2||=2恒成立.
(1)求双曲线C的方程;
(2)若过点M的直线l与C的两条渐近线分别交于点P,Q,且|MP|=|MQ|.
(ⅰ)证明:l与C有且仅有一个交点;
(ⅱ)设O为坐标原点,求+的取值范围.
解:(1)由双曲线的定义可知||MF1|-|MF2||=2a=2,∴a=1.又|F1F2|=4,∴c=2.
∵a2+b2=c2,∴b=,∴双曲线C的方程为x2-=1.
(2)(ⅰ)证明:双曲线的渐近线方程为y=±x,不妨令P在直线y=x上,Q在直线y=-x上,
设M(x0,y0),P(x1,y1),Q(x2,y2),则y1=x1,①,y2=-x2,②
由①+②,可得y1+y2=(x1-x2),由①-②,可得y1-y2=(x1+x2),由于x-=0,且x-=0,
相减可得x-x=-,∴=,由题意可知|MP|=|MQ|,
∴x1+x2=2x0,y1+y2=2y0,∴=,即kPQ=,
∴直线PQ的方程为y-y0=(x-x0),即3x0x-y0y=3x-y,
又点M在C上,∴3x-y=3,则直线PQ的方程为3x0x-y0y=3,联立方程
得(y-3x)x2+6x0x-3-y=0,∴-3x2+6x0x-3x=0,由Δ=0可知方程有且仅有一个解,
∴l与C有且仅有一个交点.
(ⅱ)由(ⅰ),联立可得x1=,同理可得x2=,
∴|OP|·|OQ|=|x1|·|x2|=4|x1x2|=4×=4,
∴+=+≥2=,当且仅当=,即|OP|=时取等号.
又|OP|∈(0,+∞),∴+的取值范围为[,+∞).
18、已知点A,B的坐标分别是(-,0),(,0),动点M(x,y)满足直线AM和BM的斜率之积为-3,记M的轨迹为曲线E.
(1)求曲线E的方程;
(2)直线y=kx+m与曲线E相交于P,Q两点,若曲线E上存在点R,使得四边形OPRQ为平行四边形(其中O为坐标原点),求m的取值范围.
[解] (1)因为A(-,0),B(,0),M(x,y),所以kAM=,kBM=.
因为直线AM和BM的斜率之积为-3,所以·=-3.整理,得+=1.
因为直线AM和BM的斜率存在,且均不为0,
所以x≠±(或y≠0).所以曲线E的方程为+=1(x≠±).
(2)设直线y=kx+m与曲线E:+=1(x≠±)的交点为P(x1,y1),Q(x2,y2),
因为四边形OPRQ为平行四边形,所以PQ的中点也是OR的中点.所以R(x1+x2,y1+y2).
由得(k2+3)x2+2kmx+m2-6=0.所以x1+x2=-,x1x2=.
所以y1+y2=k(x1+x2)+2m=.由Δ=4k2m2-4(k2+3)(m2-6)>0,得2k2>m2-6.
因为点R(x1+x2,y1+y2)在曲线E上,所以32+2=6,即k2=2m2-3.
因为2k2>m2-6,所以2(2m2-3)>m2-6,解得m2>0.
当直线PQ过点(±,0)时,m=±k,代入2m2-3=k2,得k=±1,所以m=±,此时不符合题意.
因为2m2-3=k2≥0,所以m≤-或m≥.
所以m的取值范围为(-∞,-)∪∪∪(,+∞).
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