届高三数学一轮复习导学案教师讲义第9章第9讲 圆锥曲线中的范围最值问题.docx

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届高三数学一轮复习导学案教师讲义第9章第9讲圆锥曲线中的范围最值问题

第9讲 圆锥曲线中的范围、最值问题

      范围问题[学生用书P169]

[典例引领]

(2018·云南第一次统一检测)已知椭圆E的中心在原点,焦点F1,F2在y轴上,离心率等于,P是椭圆E上的点.以线段PF1为直径的圆经过F2,且9·=1.

(1)求椭圆E的方程;

(2)作直线l与椭圆E交于两个不同的点M,N.如果线段MN被直线2x+1=0平分,求直线l的倾斜角的取值范围.

【解】 

(1)依题意,设椭圆E的方程为+=1(a>b>0),半焦距为c.

因为椭圆E的离心率等于,

所以c=a,b2=a2-c2=.

因为以线段PF1为直径的圆经过F2,

所以PF2⊥F1F2.

所以|PF2|=.

因为9·=1,

所以9||2==1.

由,得,

所以椭圆E的方程为+x2=1.

(2)因为直线x=-与x轴垂直,且由已知得直线l与直线x=-相交,

所以直线l不可能与x轴垂直,

所以设直线l的方程为y=kx+m.

由,得(k2+9)x2+2kmx+(m2-9)=0.

因为直线l与椭圆E交于两个不同的点M,N,

所以Δ=4k2m2-4(k2+9)(m2-9)>0,即m2-k2-9<0.

设M(x1,y1),N(x2,y2),则x1+x2=.

因为线段MN被直线2x+1=0平分,

所以2×+1=0,即+1=0.

由,得-(k2+9)<0.

因为k2+9>0,

所以-1<0,

所以k2>3,

解得k>或k<-.

所以直线l的倾斜角的取值范围为∪.

解决圆锥曲线中的取值范围问题应考虑的五个方面

(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)利用求函数的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. 

[通关练习]

已知椭圆C:

+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A,B,且长轴长为8,T为椭圆上任意一点,直线TA,TB的斜率之积为-.

(1)求椭圆C的方程;

(2)设O为坐标原点,过点M(0,2)的动直线与椭圆C交于P,Q两点,求·+·的取值范围.

解:

(1)设T(x,y),由题意知A(-4,0),B(4,0),设直线TA的斜率为k1,直线TB的斜率为k2,

则k1=,k2=.

由k1k2=-,得·=-,

整理得+=1.

故椭圆C的方程为+=1.

(2)当直线PQ的斜率存在时,设直线PQ的方程为y=kx+2,点P,Q的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),直线PQ与椭圆方程联立,得,消去y,得(4k2+3)x2+16kx-32=0.

所以x1+x2=-,x1x2=-.

从而,·+·=x1x2+y1y2+[x1x2+(y1-2)(y2-2)]=2(1+k2)x1x2+2k(x1+x2)+4==-20+.

所以-20<·+·≤-.

当直线PQ的斜率不存在时,·+·的值为-20.

综上,·+·的取值范围为.

      最值问题(高频考点)

[学生用书P170]

圆锥曲线中的最值问题是每年高考的热点,常涉及不等式,函数的值域问题,综合性比较强,解法灵活多变.主要命题角度有:

(1)利用三角函数的有界性求最值;

(2)数形结合利用几何性质求最值;

(3)建立目标函数求最值;

(4)利用基本不等式求最值.

[典例引领]

角度一 利用三角函数的有界性求最值

过抛物线y2=4x的焦点F的直线交抛物线于A,B两点,点O是坐标原点,则|AF|·|BF|的最小值是(  )

A.2         B.

C.4D.2

【解析】 设直线AB的倾斜角为θ,可得|AF|=,|BF|=,则|AF|·|BF|=×=≥4.

【答案】 C

角度二 数形结合利用几何性质求最值

(1)已知点F是双曲线-=1的左焦点,定点A(1,4),P是双曲线右支上的动点,则|PF|+|PA|的最小值为________.

(2)已知椭圆C:

+=1的右焦点为F,P为椭圆C上一动点,定点A(2,4),则|PA|-|PF|的最小值为________.

【解析】 

(1)如图1,设双曲线右焦点为F′.|PF|+|PA|=|PF|-|PF′|+|PA|+|PF′|=2a+|PA|+|PF′|≥4+|AF′|=9.

(2)如图2,设椭圆的左焦点为F′,则|PF|+|PF′|=4,

所以|PF|=4-|PF′|,所以|PA|-|PF|=|PA|+|PF′|-4.当且仅当P,A,F′三点共线时,|PA|+|PF′|取最小值|AF′|==5,所以|PA|-|PF|的最小值为1.

【答案】 

(1)9 

(2)1

角度三 建立目标函数求最值

(2017·高考浙江卷)如图,已知抛物线x2=y,点A,B,抛物线上的点P(x,y).过点B作直线AP的垂线,垂足为Q.

(1)求直线AP斜率的取值范围;

(2)求|PA|·|PQ|的最大值.

【解】 

(1)设直线AP的斜率为k,

k==x-,

因为-

(2)联立直线AP与BQ的方程

解得点Q的横坐标是xQ=.

因为|PA|==(k+1),

|PQ|=(xQ-x)=-,

所以|PA|·|PQ|=-(k-1)(k+1)3.

令f(k)=-(k-1)(k+1)3,

因为f′(k)=-(4k-2)(k+1)2,

所以f(k)在区间上单调递增,上单调递减,

因此当k=时,|PA|·|PQ|取得最大值.

角度四 利用基本不等式求最值

(2018·太原模拟)已知椭圆M:

+=1(a>0)的一个焦点为F(-1,0),左、右顶点分别为A,B.经过点F的直线l与椭圆M交于C,D两点.

(1)当直线l的倾斜角为45°时,求线段CD的长;

(2)记△ABD与△ABC的面积分别为S1和S2,求|S1-S2|的最大值.

【解】 

(1)由题意,c=1,b2=3,

所以a2=4,所以椭圆M的方程为+=1,

易求直线方程为y=x+1,联立方程,得

消去y,得7x2+8x-8=0,Δ=288,

设C(x1,y1),D(x2,y2),x1+x2=-,x1x2=-,

所以|CD|=|x1-x2|==.

(2)当直线l的斜率不存在时,直线方程为x=-1,

此时△ABD与△ABC面积相等,|S1-S2|=0;

当直线l的斜率存在时,设直线方程为y=k(x+1)(k≠0),

联立方程,得

消去y,得(3+4k2)x2+8k2x+4k2-12=0,

Δ>0,且x1+x2=-,x1x2=,

此时|S1-S2|=2||y2|-|y1||=2|y2+y1|=2|k(x2+1)+k(x1+1)|=2|k(x1+x2)+2k|=,因为k≠0,上式=≤==,

所以|S1-S2|的最大值为.

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. 

[通关练习]

已知中心在原点O,焦点在x轴上的椭圆,离心率e=,且椭圆过点.

(1)求该椭圆的方程;

(2)椭圆的左、右焦点分别为F1,F2,过F2的直线l与椭圆交于不同的两点A,B,则△F1AB的内切圆的面积是否存在最大值?

若存在,求出这个最大值及此时的直线方程;若不存在,请说明理由.

解:

(1)由题意可设椭圆方程为+=1(a>b>0).

解得a2=4,b2=3.

所以椭圆方程为+=1.

(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),不妨设y1>0,y2<0,设△F1AB的内切圆的半径为R,

易知△F1AB的周长为4a=8,则S△F1AB=(|AB|+|F1A|+|F1B|)R=4R,

所以当S△F1AB取得最大值时,R取得最大值,△F1AB的内切圆的面积取得最大值.

由题知,直线l的斜率不为零,可设直线l的方程为x=my+1,

由得(3m2+4)y2+6my-9=0,

所以y1+y2=,y1y2=-.

则S△F1AB=|F1F2|·(y1-y2)=,

令=t,则m2=t2-1(t≥1),

所以S△F1AB==(t≥1),

令f(t)=3t+(t≥1),则f′(t)=3-,

当t≥1时,f′(t)≥0,f(t)在[1,+∞)上单调递增,

有f(t)≥f

(1)=4,

所以S△F1AB≤3,

即当t=1,即m=0时,S△F1AB取得最大值,最大值为3,

由S△F1AB=4R,得Rmax=,所以所求内切圆面积的最大值为π.

故△F1AB的内切圆面积的最大值为π,此时直线l:

x=1.

求解范围问题的方法

求范围问题的关键是建立求解关于某个变量的目标函数,通过求这个函数的值域确定目标的范围,要特别注意变量的取值范围.

圆锥曲线中常见最值的解题方法

(1)几何法,若题目的条件和结论能明显体现几何特征及意义,则考虑利用图形性质来解决;

(2)代数法,若题目的条件和结论能体现一种明确的函数关系,则可先建立起目标函数,再求这个函数的最值,最值常用基本不等式法、配方法及导数法求解.

求解范围、最值问题的两个易错点

(1)求范围问题要注意变量自身的范围;

(2)利用几何意义求最值时,要注意“相切”与“公共点唯一”的不等价关系.注意特殊关系,特殊位置的应用.

[学生用书P325(单独成册)]

1.如图,抛物线W:

y2=4x与圆C:

(x-1)2+y2=25交于A,B两点,点P为劣弧上不同于A,B的一个动点,与x轴平行的直线PQ交抛物线W于点Q,则△PQC的周长的取值范围是(  )

A.(10,14)      B.(12,14)

C.(10,12)D.(9,11)

解析:

选C.抛物线的准线l:

x=-1,焦点(1,0),

由抛物线定义可得|QC|=xQ+1,

圆(x-1)2+y2=25的圆心为C(1,0),半径为5,

可得△PQC的周长=|QC|+|PQ|+|PC|=xQ+1+(xP-xQ)+5=6+xP,

由抛物线y2=4x及圆(x-1)2+y2=25可得交点的横坐标为4,

即有xP∈(4,6),

可得6+xP∈(10,12),

故△PQC的周长的取值范围是(10,12).故选C.

2.过抛物线y2=2px(p>0)的焦点F,斜率为的直线交抛物线于A,B两点,若=λ(λ>1),则λ的值为________.

解析:

根据题意设A(x1,y1),B(x2,y2),由=λ,得=λ,故-y1=λy2,即λ=.设直线AB的方程为y=,联立直线与抛物线方程,消元得y2-py-p2=0.故y1+y2=p,y1·y2=-p2,=++2=-,即-λ-+2=-.又λ>1,故λ=4.

答案:

4

3.已知椭圆C:

+=1(a>b>0)的焦距为4且过点(,-2).

(1)求椭圆C的方程;

(2)过椭圆焦点的直线l与椭圆C分别交于点E,F,求·的取值范围.

解:

(1)椭圆C:

+=1(a>b>0)的焦距是4,所以焦点坐标是(0,-2),(0,2),2a=+=4,所以a=2,b=2,

即椭圆C的方程是+=1.

(2)若直线l垂直于x轴,则点E(0,2),F(0,-2),

·=-8.

若直线l不垂直于x轴,不妨设l过该椭圆的上焦点,则l的方程为y=kx+2,设点E(x1,y1),F(x2,y2),

将直线l的方程代入椭圆C的方程得到(2+k2)x2+4kx-4=0,

则x1+x2=,x1x2=,

所以·=x1x2+y1y2=(1+k2)x1x2+2k(x1+x2)+4=++4=-8,

因为0<≤10,所以-8<·≤2,

所以·的取值范围是[-8,2].

4.设椭圆M:

+=1(a>b>0)的离心率与双曲线x2-y2=1的离心率互为倒数,且椭圆的长轴长为4.

(1)求椭圆M的方程;

(2)若直线y=x+m交椭圆M于A,B两点,P(1,)为椭圆M上一点,求△PAB面积的最大值.

解:

(1)由题可知,双曲线的离心率为,则椭圆的离心率e==,由2a=4,=,b2=a2-c2,得a=2,c=,b=,故椭圆M的方程为+=1.

(2)不妨设A(x1,y1),B(x2,y2),联立方程组,得4x2+2mx+m2-4=0,

由Δ=(2m)2-16(m2-4)>0,得-2

且,

所以|AB|=|x1-x2|

=·

=·

=·.

又P到直线AB的距离为d=,

所以S△PAB=|AB|·d=··

==

≤·=.

当且仅当m=±2∈(-2,2)时取等号,所以(S△PAB)max=.

1.如图所示.

已知点E为抛物线y2=4x内的一个焦点,过E作斜率分别为k1、k2的两条直线,分别交抛物线于点A、B、C、D,且M、N分别是AB、CD的中点.

(1)若k1k2=-1,求三角形EMN面积的最小值;

(2)若k1+k2=1,求证:

直线MN过定点.

解:

(1)抛物线y2=4x的焦点E(1,0),

因为k1k2=-1,所以AB⊥CD,设直线AB的方程为y=k1(x-1),A(x1,y1),B(x2,y2),

由得k1y2-4y-4k1=0,y1+y2=,y1y2=-4,

因为AB中点M,

所以M,

同理,点N(2k+1,-2k1).

所以S△EMN=|EM|·|EN|=·=2≥2=4,

当且仅当k=,即k1=±1时,△EMN的面积取最小值4.

(2)证明:

设直线AB方程为y=k1(x-1),A(x1,y1),B(x2,y2),

由得k1y2-4y-4k1=0,y1+y2=,y1y2=-4,

因为AB中点M,所以M,同理,点N,

所以kMN===k1k2,

所以直线MN:

y-=k1k2[x-],

即y=k1k2(x-1)+2,

所以直线MN恒过定点(1,2).

2.(2017·高考山东卷)在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:

+=1(a>b>0)的离心率为,椭圆C截直线y=1所得线段的长度为2.

(1)求椭圆C的方程;

(2)动直线l:

y=kx+m(m≠0)交椭圆C于A,B两点,交y轴于点M,点N是M关于O的对称点,⊙N的半径为|NO|.设D为AB的中点,DE,DF与⊙N分别相切于点E,F,求∠EDF的最小值.

解:

(1)由椭圆的离心率为,得a2=2(a2-b2).

又当y=1时,x2=a2-,得a2-=2,

所以a2=4,b2=2,

因此椭圆方程为+=1.

(2)设A(x1,y1),B(x2,y2).

联立方程

得(2k2+1)x2+4kmx+2m2-4=0,

由Δ>0得m2<4k2+2. (*)

且x1+x2=-,

因此y1+y2=,

所以D,

又N(0,-m),

所以|ND|2=+,

整理得|ND|2=,

因为|NF|=|m|,

所以==1+.

令t=8k2+3,t≥3.

故2k2+1=,

所以=1+=1+.

令y=t+,所以y′=1-.

当t≥3时,y′>0,

从而y=t+在[3,+∞)上单调递增,

因此t+≥,

等号当且仅当t=3时成立,此时k=0,

所以≤1+3=4,

由(*)得-

故≥,

设∠EDF=2θ,则sinθ=≥,

所以θ的最小值为.

从而∠EDF的最小值为,此时直线l的斜率是0.

综上所述:

当k=0,m∈(-,0)∪(0,)时,∠EDF取到最小值.

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