2009年高考數(shù)學(xué)難點(diǎn)突破專題輔導(dǎo)二十三
難點(diǎn)23 求圓錐曲線方程
求指定的圓錐曲線的方程是高考命題的重點(diǎn),主要考查學(xué)生識(shí)圖、畫圖、數(shù)形結(jié)合、等價(jià)轉(zhuǎn)化、分類討論、邏輯推理、合理運(yùn)算及創(chuàng)新思維能力,解決好這類問題,除要求同學(xué)們熟練掌握好圓錐曲線的定義、性質(zhì)外,命題人還常常將它與對(duì)稱問題、弦長(zhǎng)問題、最值問題等綜合在一起命制難度較大的題,解決這類問題常用定義法和待定系數(shù)法.
●難點(diǎn)磁場(chǎng)
1.(★★★★★)雙曲線=1(b∈N)的兩個(gè)焦點(diǎn)F1、F2,P為雙曲線上一點(diǎn),|OP|<5,|PF1|,|F1F2|,|PF2|成等比數(shù)列,則b2=_________.
2.(★★★★)如圖,設(shè)圓P滿足:①截y軸所得弦長(zhǎng)為2;②被x軸分成兩段圓弧,其弧長(zhǎng)比為3∶1,在滿足條件①、②的所有圓中,求圓心到直線l:x-2y=0的距離最小的圓的方程.
●案例探究
[例1]某電廠冷卻塔的外形是如圖所示的雙曲線的一部分,繞其中軸(即雙曲線的虛軸)旋轉(zhuǎn)所成的曲面,其中A、A′是雙曲線的頂點(diǎn),C、C′是冷卻塔上口直徑的兩個(gè)端點(diǎn),B、B′是下底直徑的兩個(gè)端點(diǎn),已知AA′=14 m,CC′=18 m,BB′=22 m,塔高20 m.
(1)建立坐標(biāo)系并寫出該雙曲線方程.
(2)求冷卻塔的容積(精確到10 m2,塔壁厚度不計(jì),π取3.14).
命題意圖:本題考查選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系建立曲線方程和解方程組的基礎(chǔ)知識(shí),考查應(yīng)用所學(xué)積分知識(shí)、思想和方法解決實(shí)際問題的能力,屬★★★★★級(jí)題目.
知識(shí)依托:待定系數(shù)法求曲線方程;點(diǎn)在曲線上,點(diǎn)的坐標(biāo)適合方程;積分法求體積.
錯(cuò)解分析:建立恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系是解決本題的關(guān)鍵,積分求容積是本題的重點(diǎn).
技巧與方法:本題第一問是待定系數(shù)法求曲線方程,第二問是積分法求體積.
解:如圖,建立直角坐標(biāo)系xOy,使AA′在x軸上,AA′的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,CC′與BB′平行于x軸.
設(shè)雙曲線方程為=1(a>0,b>0),則a=
AA′=7
又設(shè)B(11,y1),C(9,x2)因?yàn)辄c(diǎn)B、C在雙曲線上,所以有
由題意,知y2-y1=20,由以上三式得:y1=-12,y2=8,b=7
設(shè)冷卻塔的容積為V(m3),則V=π,經(jīng)計(jì)算,得V=4.25×103(m3)
答:冷卻塔的容積為4.25×103m3.
[例2]過點(diǎn)(1,0)的直線l與中心在原點(diǎn),焦點(diǎn)在x軸上且離心率為的橢圓C相交于A、B兩點(diǎn),直線y=
x過線段AB的中點(diǎn),同時(shí)橢圓C上存在一點(diǎn)與右焦點(diǎn)關(guān)于直線l對(duì)稱,試求直線l與橢圓C的方程.
命題意圖:本題利用對(duì)稱問題來考查用待定系數(shù)法求曲線方程的方法,設(shè)計(jì)新穎,基礎(chǔ)性強(qiáng),屬★★★★★級(jí)題目.
知識(shí)依托:待定系數(shù)法求曲線方程,如何處理直線與圓錐曲線問題,對(duì)稱問題.
錯(cuò)解分析:不能恰當(dāng)?shù)乩秒x心率設(shè)出方程是學(xué)生容易犯的錯(cuò)誤.恰當(dāng)?shù)乩煤脤?duì)稱問題是解決好本題的關(guān)鍵.
技巧與方法:本題是典型的求圓錐曲線方程的問題,解法一,將A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)代入圓錐曲線方程,兩式相減得關(guān)于直線AB斜率的等式.解法二,用韋達(dá)定理.
設(shè)橢圓方程為x2+2y2=2b2,A(x1,y1),B(x2,y2)在橢圓上.
則x12+2y12=2b2,x22+2y22=2b2,兩式相減得,(x12-x22)+2(y12-y22)=0,
設(shè)AB中點(diǎn)為(x0,y0),則kAB=-,又(x0,y0)在直線y=
x上,y0=
x0,于是-
=
-1,kAB=-1,設(shè)l的方程為y=-x+1.
右焦點(diǎn)(b,0)關(guān)于l的對(duì)稱點(diǎn)設(shè)為(x′,y′),
由點(diǎn)(1,1-b)在橢圓上,得1+2(1-b)2=2b2,b2=.
設(shè)橢圓C的方程為x2+2y2=2b2,l的方程為y=k(x-1),
將l的方程代入C的方程,得(1+2k2)x2-4k2x+2k2-2b2=0,則x1+x2=,y1+y2=k(x1-1)+k(x2-1)=k(x1+x2)-2k=-
.
直線l:y=x過AB的中點(diǎn)(
),則
,解得k=0,或k=
-1.
若k=0,則l的方程為y=0,焦點(diǎn)F(c,0)關(guān)于直線l的對(duì)稱點(diǎn)就是F點(diǎn)本身,不能在橢圓C上,所以k=0舍去,從而k=-1,直線l的方程為y=-(x-1),即y=-x+1,以下同解法一.
[例3]如圖,已知△P1OP2的面積為,P為線段P1P2的一個(gè)三等分點(diǎn),求以直線OP1、OP2為漸近線且過點(diǎn)P的離心率為
的雙曲線方程.
命題意圖:本題考查待定系數(shù)法求雙曲線的方程以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力,屬★★★★★級(jí)題目.
知識(shí)依托:定比分點(diǎn)坐標(biāo)公式;三角形的面積公式;以及點(diǎn)在曲線上,點(diǎn)的坐標(biāo)適合方程.
錯(cuò)解分析:利用離心率恰當(dāng)?shù)卣页鲭p曲線的漸近線方程是本題的關(guān)鍵,正確地表示出
△P1OP2的面積是學(xué)生感到困難的.
技巧與方法:利用點(diǎn)P在曲線上和△P1OP2的面積建立關(guān)于參數(shù)a、b的兩個(gè)方程,從而求出a、b的值.
解:以O為原點(diǎn),∠P1OP2的角平分線為x軸建立如圖所示的直角坐標(biāo)系.
設(shè)點(diǎn)P1(x1, x1),P2(x2,-
x2)(x1>0,x2>0),則由點(diǎn)P分
所成的比λ=
=2,得P點(diǎn)坐標(biāo)為(
),又點(diǎn)P在雙曲線
=1上,所以
=1,
即(x1+2x2)2-(x1-2x2)2=9a2,整理得8x1x2=9a2 ①
由①、②得a2=4,b2=9
●錦囊妙計(jì)
一般求已知曲線類型的曲線方程問題,可采用“先定形,后定式,再定量”的步驟.
定形――指的是二次曲線的焦點(diǎn)位置與對(duì)稱軸的位置.
定式――根據(jù)“形”設(shè)方程的形式,注意曲線系方程的應(yīng)用,如當(dāng)橢圓的焦點(diǎn)不確定在哪個(gè)坐標(biāo)軸上時(shí),可設(shè)方程為mx2+ny2=1(m>0,n>0).
定量――由題設(shè)中的條件找到“式”中特定系數(shù)的等量關(guān)系,通過解方程得到量的大小.
●殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練
一、選擇題
1.(★★★★)已知直線x+2y-3=0與圓x2+y2+x-6y+m=0相交于P、Q兩點(diǎn),O為坐標(biāo)原點(diǎn),若OP⊥OQ,則m等于( )
A.3 B.-3 C.1 D.-1
二、填空題
3.(★★★★)直線l的方程為y=x+3,在l上任取一點(diǎn)P,若過點(diǎn)P且以雙曲線12x2-4y2=3的焦點(diǎn)作橢圓的焦點(diǎn),那么具有最短長(zhǎng)軸的橢圓方程為_________.
三、解答題
5.(★★★★★)已知橢圓的中心在坐標(biāo)原點(diǎn),焦點(diǎn)在x軸上,它的一個(gè)焦點(diǎn)為F,M是橢圓上的任意點(diǎn),|MF|的最大值和最小值的幾何平均數(shù)為2,橢圓上存在著以y=x為軸的對(duì)稱點(diǎn)M1和M2,且|M1M2|=,試求橢圓的方程.
6.(★★★★)某拋物線形拱橋跨度是20米,拱高4米,在建橋時(shí)每隔4米需用一支柱支撐,求其中最長(zhǎng)的支柱的長(zhǎng).
7.(★★★★★)已知圓C1的方程為(x-2)2+(y-1)2=
,橢圓C2的方程為
=1(a>b>0),C2的離心率為
,如果C1與C2相交于A、B兩點(diǎn),且線段AB恰為圓C1的直徑,求直線AB的方程和橢圓C2的方程.
難點(diǎn)磁場(chǎng)
1.解析:設(shè)F1(-c,0)、F2(c,0)、P(x,y),則
|PF1|2+|PF2|2=2(|PO|2+|F1O|2)<2(52+c2),
即|PF1|2+|PF2|2<50+2c2,
又∵|PF1|2+|PF2|2=(|PF1|-|PF2|)2+2|PF1|?|PF2|,
依雙曲線定義,有|PF1|-|PF2|=4,
依已知條件有|PF1|?|PF2|=|F1F2|2=4c2
答案:1
2.解法一:設(shè)所求圓的圓心為P(a,b),半徑為r,則點(diǎn)P到x軸、y軸的距離分別為|b|、|a|
∵圓P截y軸所得弦長(zhǎng)為2,∴r2=a2+1
又由題設(shè)知圓P截x軸所得劣弧對(duì)的圓心角為90°,故弦長(zhǎng)|AB|=r,故r2=2b2,從而有2b2-a2=1
又∵點(diǎn)P(a,b)到直線x-2y=0的距離d=,
因此,5d2=|a-2b|2=a2+4b2-4ab≥a2+4b2-2(a2+b2)=2b2-a2=1,
當(dāng)且僅當(dāng)a=b時(shí)上式等號(hào)成立,此時(shí)5d2=1,從而d取最小值,為此有,
∵r2=2b2, ∴r2=2
于是所求圓的方程為:(x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2
解法二:設(shè)所求圓P的方程為(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)
設(shè)A(0,y1),B(0,y2)是圓與y軸的兩個(gè)交點(diǎn),則y1、y2是方程a2+(y-b)2=r2的兩根,
由條件①得|AB|=2,而|AB|=|y1-y2|,得r2-a2=1
設(shè)點(diǎn)C(x1,0)、D(x2,0)為圓與x軸的兩個(gè)交點(diǎn),則x1,x2是方程(x-a)2+b2=r2的兩個(gè)根,
由條件②得|CD|=r,又由|CD|=|x2-x1|,得2b2=r2,故2b2=a2+1
∴a-2b=±d,得a2=(2b±
d)2=4b2±4
bd+5d2
又∵a2=2b2-1,故有2b2±4bd+5d2+1=0.把上式看作b的二次方程,
∵方程有實(shí)根.
∴Δ=8(5d2-1)≥0,得5d2≥1.
得2b2±4b+2=0,解得b=±1.
于是所求圓的方程為(x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2
殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練
一、1.解析:將直線方程變?yōu)?i>x=3-2y,代入圓的方程x2+y2+x-6y+m=0,
得(3-2y)2+y2+(3-2y)+m=0.
整理得5y2-20y+12+m=0,設(shè)P(x1,y1)、Q(x2,y2)
又∵P、Q在直線x=3-2y上,
∴x1x2=(3-2y1)(3-2y2)=4y1y2-6(y1+y2)+9
故y1y2+x1x2=5y1y2-6(y1+y2)+9=m-3=0,故m=3.
答案:A
2.解析:由題意,可設(shè)橢圓方程為: =1,且a2=50+b2,
將直線3x-y-2=0代入,整理成關(guān)于x的二次方程.
由x1+x2=1可求得b2=25,a2=75.
答案:C
二、3.解析:所求橢圓的焦點(diǎn)為F1(-1,0),F2(1,0),2a=|PF1|+|PF2|.
欲使2a最小,只需在直線l上找一點(diǎn)P.使|PF1|+|PF2|最小,利用對(duì)稱性可解.?
4.解析:設(shè)所求圓的方程為(x-a)2+(y-b)2=r2
由此可寫所求圓的方程.
答案:x2+y2-2x-12=0或x2+y2-10x-8y+4=0
三、5.解:|MF|max=a+c,|MF|min=a-c,則(a+c)(a-c)=a2-c2=b2,
設(shè)過M1和M2的直線方程為y=-x+m ②
將②代入①得:(4+a2)x2-2a2mx+a2m2-4a2=0 ③
設(shè)M1(x1,y1)、M2(x2,y2),M1M2的中點(diǎn)為(x0,y0),
由于a2>4,∴m=0,∴由③知x1+x2=0,x1x2=-,
代入x1+x2,x1x2可解a2=5,故所求橢圓方程為: =1.
6.解:以拱頂為原點(diǎn),水平線為x軸,建立坐標(biāo)系,
如圖,由題意知,|AB|=20,|OM|=4,A、B坐標(biāo)分別為(-10,-4)、(10,-4)
設(shè)拋物線方程為x2=-2py,將A點(diǎn)坐標(biāo)代入,得100=-2p×(-4),解得p=12.5,
于是拋物線方程為x2=-25y.
由題意知E點(diǎn)坐標(biāo)為(2,-4),E′點(diǎn)橫坐標(biāo)也為2,將2代入得y=-0.16,從而|EE′|=
(-0.16)-(-4)=3.84.故最長(zhǎng)支柱長(zhǎng)應(yīng)為3.84米.
又設(shè)A(x1,y1)、B(x2,y2),則x1+x2=4,y1+y2=2,
即(x1+x2)(x1-x2)+2(y1+y2)(y1-y2)=0.
代入橢圓方程得3x2-12x+18-2b2=0.
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