高中数学竞赛教材讲解第十一章圆锥曲线讲解.docx

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高中数学竞赛教材讲解第十一章圆锥曲线讲解

第十一章圆锥曲线

一、基础知识

1.椭圆的定义,第一定义:

平面上到两个定点的距离之和等于定长(大于两个定点之间的距离)的点的轨迹,即|PF1|+|PF2|=2a(2a>|F1F2|=2c).

第二定义:

平面上到一个定点的距离与到一条定直线的距离之比为同一个常数e(0

(0

第三定义:

在直角坐标平面内给定两圆c1:

x2+y2=a2,c2:

x2+y2=b2,a,b∈R+且a≠b。

从原点出发的射线交圆c1于P,交圆c2于Q,过P引y轴的平行线,过Q引x轴的平行线,两条线的交点的轨迹即为椭圆。

2.椭圆的方程,如果以椭圆的中心为原点,焦点所在的直线为坐标轴建立坐标系,由定义可求得它的标准方程,若焦点在x轴上,列标准方程为

(a>b>0),

参数方程为(为参数)。

若焦点在y轴上,列标准方程为

(a>b>0)。

3.椭圆中的相关概念,对于中心在原点,焦点在x轴上的椭圆

a称半长轴长,b称半短轴长,c称为半焦距,长轴端点、短轴端点、两个焦点的坐标分别为(±a,0),(0,±b),(±c,0);与左焦点对应的准线(即第二定义中的定直线)为,与右焦点对应的准线为;定义中的比e称为离心率,且,由c2+b2=a2知0

椭圆有两条对称轴,分别是长轴、短轴。

4.椭圆的焦半径公式:

对于椭圆1(a>b>0),F1(-c,0),F2(c,0)是它的两焦点。

若P(x,y)是椭圆上的任意一点,则|PF1|=a+ex,|PF2|=a-ex.

5.几个常用结论:

1)过椭圆上一点P(x0,y0)的切线方程为

2)斜率为k的切线方程为;

3)过焦点F2(c,0)倾斜角为θ的弦的长为

6.双曲线的定义,第一定义:

满足||PF1|-|PF2||=2a(2a<2c=|F1F2|,a>0)的点P的轨迹;

第二定义:

到定点的距离与到定直线距离之比为常数e(>1)的点的轨迹。

7.双曲线的方程:

中心在原点,焦点在x轴上的双曲线方程为

参数方程为(为参数)。

焦点在y轴上的双曲线的标准方程为

8.双曲线的相关概念,中心在原点,焦点在x轴上的双曲线

(a,b>0),

a称半实轴长,b称为半虚轴长,c为半焦距,实轴的两个端点为(-a,0),(a,0).左、右焦点为F1(-c,0),F2(c,0),对应的左、右准线方程分别为离心率,由a2+b2=c2知e>1。

两条渐近线方程为,双曲线与有相同的渐近线,它们的四个焦点在同一个圆上。

若a=b,则称为等轴双曲线。

9.双曲线的常用结论,1)焦半径公式,对于双曲线,F1(-c,0),F2(c,0)是它的两个焦点。

设P(x,y)是双曲线上的任一点,若P在右支上,则|PF1|=ex+a,|PF2|=ex-a;若P(x,y)在左支上,则|PF1|=-ex-a,|PF2|=-ex+a.

2)过焦点的倾斜角为θ的弦长是。

10.抛物线:

平面内与一个定点F和一条定直线l的距离相等的点的轨迹叫做抛物线,点F叫焦点,直线l叫做抛物线的准线。

若取经过焦点F且垂直于准线l的直线为x轴,x轴与l相交于K,以线段KF的垂直平分线为y轴,建立直角坐标系,设|KF|=p,则焦点F坐标为,准线方程为,标准方程为y2=2px(p>0),离心率e=1.

11.抛物线常用结论:

若P(x0,y0)为抛物线上任一点,

1)焦半径|PF|=;

2)过点P的切线方程为y0y=p(x+x0);

3)过焦点倾斜角为θ的弦长为。

12.极坐标系,在平面内取一个定点为极点记为O,从O出发的射线为极轴记为Ox轴,这样就建立了极坐标系,对于平面内任意一点P,记|OP|=ρ,∠xOP=θ,则由(ρ,θ)唯一确定点P的位置,(ρ,θ)称为极坐标。

13.圆锥曲线的统一定义:

到定点的距离与到定直线的距离的比为常数e的点P,若01,则点P的轨迹为双曲线的一支;若e=1,则点P的轨迹为抛物线。

这三种圆锥曲线统一的极坐标方程为。

二、方法与例题

1.与定义有关的问题。

例1已知定点A(2,1),F是椭圆的左焦点,点P为椭圆上的动点,当3|PA|+5|PF|取最小值时,求点P的坐标。

[解]见图11-1,由题设a=5,b=4,c==3,.椭圆左准线的方程为,又因为,所以点A在椭圆内部,又点F坐标为(-3,0),过P作PQ垂直于左准线,垂足为Q。

由定义知,则|PF|=|PQ|。

所以3|PA|+5|PF|=3(|PA|+|PF|)=3(|PA|+|PQ|)≥3|AM|(AM左准线于M)。

所以当且仅当P为AM与椭圆的交点时,3|PA|+5|PF|取最小值,把y=1代入椭圆方程得,又x<0,所以点P坐标为

例2已知P,为双曲线C:

右支上两点,延长线交右准线于K,PF1延长线交双曲线于Q,(F1为右焦点)。

求证:

∠F1K=∠KF1Q.

[证明]记右准线为l,作PDl于D,于E,因为//PD,则,又由定义,所以,由三角形外角平分线定理知,F1K为∠PF1P的外角平分线,所以∠=∠KF1Q。

2.求轨迹问题。

例3已知一椭圆及焦点F,点A为椭圆上一动点,求线段FA中点P的轨迹方程。

[解法一]利用定义,以椭圆的中心为原点O,焦点所在的直线为x轴,建立直角坐标系,设椭圆方程:

=1(a>b>0).F坐标为(-c,0).设另一焦点为。

连结,OP,则。

所以|FP|+|PO|=(|FA|+|A|)=a.

所以点P的轨迹是以F,O为两焦点的椭圆(因为a>|FO|=c),将此椭圆按向量m=(,0)平移,得到中心在原点的椭圆:

由平移公式知,所求椭圆的方程为

[解法二]相关点法。

设点P(x,y),A(x1,y1),则,即x1=2x+c,y1=2y.又因为点A在椭圆上,所以代入得关于点P的方程为。

它表示中心为,焦点分别为F和O的椭圆。

例4长为a,b的线段AB,CD分别在x轴,y轴上滑动,且A,B,C,D四点共圆,求此动圆圆心P的轨迹。

[解]设P(x,y)为轨迹上任意一点,A,B,C,D的坐标分别为A(x-,0),B(x+,0),C(0,y-),D(0,y+),记O为原点,由圆幂定理知|OA|•|OB|=|OC|•|OD|,用坐标表示为,即

当a=b时,轨迹为两条直线y=x与y=-x;

当a>b时,轨迹为焦点在x轴上的两条等轴双曲线;

当a

例5在坐标平面内,∠AOB=,AB边在直线l:

x=3上移动,求三角形AOB的外心的轨迹方程。

[解]设∠xOB=θ,并且B在A的上方,则点A,B坐标分别为B(3,3tanθ),A(3,3tan(θ-)),设外心为P(x,y),由中点公式知OB中点为M。

由外心性质知再由得

×tanθ=-1。

结合上式有

•tanθ=①

又tanθ+=②

所以tanθ-=两边平方,再将①,②代入得。

即为所求。

3.定值问题。

例6过双曲线(a>0,b>0)的右焦点F作B1B2轴,交双曲线于B1,B2两点,B2与左焦点F1连线交双曲线于B点,连结B1B交x轴于H点。

求证:

H的横坐标为定值。

[证明]设点B,H,F的坐标分别为(asecα,btanα),(x0,0),(c,0),则F1,B1,B2的坐标分别为(-c,0),(c,),(c,),因为F1,H分别是直线B2F,BB1与x轴的交点,所以

所以

由①得

代入上式得

即(定值)。

注:

本例也可借助梅涅劳斯定理证明,读者不妨一试。

例7设抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,经过点F的直线交抛物线于A,B两点,点C在准线上,且BC//x轴。

证明:

直线AC经过定点。

[证明]设,则,焦点为,所以,,,。

由于,所以•y2-y1=0,即=0。

因为,所以。

所以,即。

所以,即直线AC经过原点。

例8椭圆上有两点A,B,满足OAOB,O为原点,求证:

为定值。

[证明]设|OA|=r1,|OB|=r2,且∠xOA=θ,∠xOB=,则点A,B的坐标分别为A(r1cosθ,r1sinθ),B(-r2sinθ,r2cosθ)。

由A,B在椭圆上有

即①

①+②得(定值)。

4.最值问题。

例9设A,B是椭圆x2+3y2=1上的两个动点,且OAOB(O为原点),求|AB|的最大值与最小值。

[解]由题设a=1,b=,记|OA|=r1,|OB|=r2,,参考例8可得=4。

设m=|AB|2=,

因为,且a2>b2,所以,所以b≤r1≤a,同理b≤r2≤a.所以。

又函数f(x)=x+在上单调递减,在上单调递增,所以当t=1即|OA|=|OB|时,|AB|取最小值1;当或时,|AB|取最大值。

例10设一椭圆中心为原点,长轴在x轴上,离心率为,若圆C:

1上点与这椭圆上点的最大距离为,试求这个椭圆的方程。

[解]设A,B分别为圆C和椭圆上动点。

由题设圆心C坐标为,半径|CA|=1,因为|AB|≤|BC|+|CA|=|BC|+1,所以当且仅当A,B,C共线,且|BC|取最大值时,|AB|取最大值,所以|BC|最大值为

因为;所以可设椭圆半长轴、半焦距、半短轴长分别为2t,,t,椭圆方程为,并设点B坐标为B(2tcosθ,tsinθ),则|BC|2=(2tcosθ)2+=3t2sin2θ-3tsinθ++4t2=-3(tsinθ+)2+3+4t2.

若,则当sinθ=-1时,|BC|2取最大值t2+3t+,与题设不符。

若t>,则当sinθ=时,|BC|2取最大值3+4t2,由3+4t2=7得t=1.

所以椭圆方程为。

5.直线与二次曲线。

例11若抛物线y=ax2-1上存在关于直线x+y=0成轴对称的两点,试求a的取值范围。

[解]抛物线y=ax2-1的顶点为(0,-1),对称轴为y轴,存在关于直线x+y=0对称两点的条件是存在一对点P(x1,y1),(-y1,-x1),满足y1=a且-x1=a(-y1)2-1,相减得x1+y1=a(),因为P不在直线x+y=0上,所以x1+y1≠0,所以1=a(x1-y1),即x1=y1+

所以此方程有不等实根,所以,求得,即为所求。

例12若直线y=2x+b与椭圆相交,

(1)求b的范围;

(2)当截得弦长最大时,求b的值。

[解]二方程联立得17x2+16bx+4(b2-1)=0.由Δ>0,得

所以当b=0时,|PQ|最大。

三、基础训练题

1.A为半径是R的定圆⊙O上一定点,B为⊙O上任一点,点P是A关于B的对称点,则点P的轨迹是________.

2.一动点到两相交直线的距离的平方和为定值m2(>0),则动点的轨迹是________.

3.椭圆上有一点P,它到左准线的距离是10,它到右焦点的距离是________.

4.双曲线方程,则k的取值范围是________.

5.椭圆,焦点为F1,F2,椭圆上的点P满足∠F1PF2=600,则ΔF1PF2的面积是________.

6.直线l被双曲线所截的线段MN恰被点A(3,-1)平分,则l的方程为________.

7.ΔABC的三个顶点都在抛物线y2=32x上,点A(2,8),且ΔABC的重心与这条抛物线的焦点重合,则直线BC的斜率为________.

8.已知双曲线的两条渐近线方程为3x-4y-2=0和3x+4y-10=0,一条准线方程为5y+4=0,则双曲线方程为________.

9.已知曲线y2=ax,与其关于点(1,1)对称的曲线有两个不同的交点,如果过这两个交点的直

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