圆与圆锥曲线的交汇性问题例析

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  随着新课程标准的不断推进与深入,高考对解析几何的要求也随之发生了很大的变化,对圆的要求大大提高,对圆锥曲线的要求则相对降低.因此,近几年圆与圆锥曲线的交汇性问题渐渐成为高考的命题热点,此类问题不仅将圆的内容及性质纳于其中,也将对圆锥曲线的要求体现出来,是当前一种新的命题趋势.下面精选2014年高考中的部分试题并予以分类解析,旨在探索题型规律,揭示解题方法.
  1.圆与椭圆的交汇性问题
  图1例1(2014年陕西卷文20)如图1,已知椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)经过点(0,3),离心率为12,左、右焦点分别为F1(-c,0)、F2(c,0).
  (1)求椭圆的方程;
  (2)若直线l:y=-12x+m与椭圆交于A,B两点,与以F1F2为直径的圆交于C,D两点,且满足|AB||CD|=534,求直线l的方程.
  分析(1)构造关于a,b,c的方程组求解;
  (2)利用直线与圆的位置关系得|CD|,将直线方程与椭圆方程联立得方程组,利用根与系数的关系得|AB|,构造关于m的方程求m,进而得出直线l的方程.
  解析(1)由题设知b=3,
  ca=12,
  b2=a2-c2,解得a=2,
  b=3,
  c=1,∴椭圆的方程为x24+y23=1.
  (2)由题设,以F1F2为直径的圆的方程为x2+y2=1,
  ∴圆心到直线l的距离d=2|m|5,
  由d<1得|m|<52. (*)
  ∴|CD|=21-d2=21-45m2
  =255-4m2.
  设A(x1,y1),B(x2,y2), 由y=-12x+m,
  x24+y23=1,
  得x2-mx+m2-3=0,
  由根与系数的关系可得
  x1+x2=m,x1x2=m2-3.
  ∴|AB|=[1+(-12)2][m2-4(m2-3)]
  =1524-m2.
  由|AB||CD|=534得4-m25-4m2=1,
  解得m=±33,满足(*).
  ∴直线l的方程为
  y=-12x+33或y=-12x-33.
  命题立意知识:椭圆的标准方程及其几何意义,圆的方程和性质,直线与圆、椭圆的位置关系.能力:考查方程的思想、转化与化归思想,同时对运算能力的要求较高.试题难度:较大.
  例2(2014年天津卷理18)设椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1、F2,右顶点为A,上顶点为B,已知|AB|=32|F1F2|.
  (1)求椭圆的离心率;
  (2)设P为椭圆上异于其顶点的一点,以线段PB为直径的圆经过点F1,经过原点O的直线l与该圆相切. 求直线l的斜率.
  分析(1)直接利用|AB|=32|F1F2|及椭圆中a,b,c之间的关系得到a,c的关系,进而求得离心率;
  (2)利用F1P·F1B=0求出P点坐标满足的条件,再由P点坐标满足椭圆的方程,求出P点坐标,设出直线的方程,利用圆心到直线的距离等于圆的半径求解.
  解析(1)设椭圆右焦点F2的坐标为(c,0).
  由|AB|=32|F1F2|,可得a2+b2=3c2.
  又b2=a2-c2,则c2a2=12,所以,椭圆的离心率e=22.
  (2)由(1)知,a2=2c2,b2=c2,故椭圆方程为x22c2+y2c2=1.
  设P(x0,y0),由F1(-c,0),B(0,c),有F1P=(x0+c,y0),F1B=(c,c).
  由已知,有F1P·F1B=0,
  即(x0+c)c+y0c=0.
  又c≠0,故有
  x0+y0+c=0①
  又因为点P在椭圆上,故
  x202c2+y20c2=1 ②
  由①和②可得3x20+4cx0=0,
  而点P不是椭圆的顶点,故x0=-43c,
  代入①得y0=c3,即点P的坐标为(-43c,c3).
  设圆的圆心为T(x1,y1),则
  x1=-43c+02=-23c,y1=c3+c2=23c,
  进而圆的半径
  r=(x1-0)2+(y1-c)2=53c.
  设直线l的斜率为k,依题意,直线l的方程为y=kx.
  由l与圆相切,可得|kx1-y1|k2+1=r,即|k23c+23c|k2+1=53c,
  整理得k2-8k+1=0,解得k=4±15.
  所以,直线l的斜率为4+15或4-15.
  命题立意知识:本题主要考查椭圆的标准方程和几何性质、直线的方程、圆的方程等基础知识.能力:通过用代数方法研究圆锥曲线的性质,考查运算求解能力以及运用方程思想解决问题的能力.试题难度:较大.
  2.圆与双曲线的交汇性问题
  例3(2014年江西卷文9)过双曲线C:x2a2-y2b2=1的右顶点作x轴的垂线,与C的一条渐近线相交于点A.若以C的右焦点为圆心、半径为4的圆经过A、O两点(O为坐标原点),则双曲线C的方程为( ).
  A.x24-y212=1B.x27-y29=1
  C.x28-y28=1D.x212-y24=1
  解析先求出交点坐标,再结合已知条件求出双曲线的方程.
  由x=a,
  y=bax,解得x=a,   y=b,,
  ∴A(a,b).
  由题意知右焦点到原点的距离为c=4,右焦点坐标为(4,0),由题意有(a-4)2+b2=4,即(a-4)2+b2=16. ①
  又a2+b2=c2=16,②
  由①②解得
  a=2,b=23.
  ∴双曲线C的方程为x24-y212=1.
  故选A.
  命题立意知识:双曲线的标准方程和渐近线的确定.能力:结合双曲线方程的求解,考查运算求解能力和应用意识.试题难度:中等.
  图2例4(2014年辽宁卷理20)圆x2+y2=4的切线与x轴正半轴,y轴正半轴围成一个三角形,当该三角形面积最小时,切点为P(如图2).双曲线C1:x2a2-y2b2=1过点P且离心率为3.
  (1)求C1的方程;
  (2)椭圆C2过点P且与C1有相同的焦点,直线l过C2的右焦点且与C2交于A,B两点,若以线段AB为直径的圆过点P,求l的方程.
  分析(1)先求切线方程,再利用条件列出方程组求解字母a、b的值;
  (2)利用题设关系设出椭圆方程,再利用直线与椭圆的位置关系求解.
  解析(1)设切点坐标为(x0,y0)(x0>0,y0>0),则切线斜率为-x0y0,切线方程为y-y0=-x0y0(x-x0),即x0x+y0y=4,此时,两个坐标轴的正半轴与切线围成的三角形面积为S=12·4x0·4y0=8x0y0.
  由x20+y20=4≥2x0y0知当且仅当x0=y0=2时,x0y0有最大值,即S有最小值,因此点P的坐标为(2,2).
  由题意知2a2-2b2=1,
  a2+b2=3a2,解得a2=1,
  b2=2.
  故C1的方程为x2-y22=1.
  (2)由(1)知C2的焦点坐标为(-3,0),(3,0),由此设C2的方程为x23+b21+y2b21=1,其中b1>0.
  由P(2,2)在C2上,得23+b21+2b21=1.
  解得b21=3,因此C2的方程为x26+y23=1.显然,l不是直线y=0.
  设l的方程为x=my+3,点A(x1,y1),B(x2,y2),由x=my+3,
  x26+y23=1,得(m2+2)y2+23my-3=0.又y1,y2是方程的根,因此y1+y2=-23mm2+2,①
  y1y2=-3m2+2.②
  由x1=my1+3,x2=my2+3,得
  x1+x2=m(y1+y2)+23=43m2+2,③
  x1x2=m2y1y2+3m(y1+y2)+3=6-6m2m2+2.④
  因为AP=(2-x1,2-y1),BP=(2-x2,2-y2),
  由题意知AP·BP=0,
  所以x1x2-2(x1+x2)+y1y2-2(y1+y2)+4=0,⑤
  将①②③④代入⑤并整理得2m2-26m+46-11=0,
  解得m=362-1或m=-62+1.
  因此直线l的方程为x-(362-1)y-3=0或x+(62-1)y-3=0.
  命题立意知识:考查圆的方程、椭圆的方程、双曲线的方程以及直线与圆锥曲线的位置关系.能力:考查运算求解能力和应用知识的能力.试题难度:较大.
  3.圆与抛物线的交汇性问题
  例5(2014年全国大纲卷理21文22)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,直线y=4与y轴的交点为P,与C的交点为Q,且|QF|=54|PQ|.
  (1)求C的方程;
  (2)过F的直线l与C相交于A、B两点,若AB的垂直平分线l′与C相交于M、N两点,且A、M、B、N四点在同一圆上,求l的方程.
  分析(1)由条件列式直接求出;
  (2)由直线方程与抛物线方程联立求AB的长,利用四点共圆寻找关系,列式求解.
  解析(1)设Q(x0,4),代入y2=2px得x0=8p.
  所以|PQ|=8p,|QF|=p2+x0=p2+8p.
  由题设得p2+8p=54×8p,解得p=-2(舍去)或p=2.
  所以C的方程为y2=4x.
  (2)依题意知l与坐标轴不垂直,故可设l的方程为x=my+1(m≠0).
  代入y2=4x,得y2-4my-4=0.
  设A(x1,y1),B(x2,y2),则y1+y2=4m,y1·y2=-4.
  故AB的中点为D(2m2+1,2m),|AB|=m2+1|y1-y2|=4(m2+1).
  又l′的斜率为-m,所以l′的方程为x=-1my+2m2+3.
  将上式代入y2=4x,并整理得y2+4my-4(2m2+3)=0.
  设M(x3,y3),N(x4,y4),则y3+y4=-4m,y3·y4=-4(2m2+3).
  故MN的中点为E(2m2+2m2+3,-2m),|MN|=1+1m2|y3-y4|=4(m2+1)2m2+1m2.
  由于MN垂直平分AB,故A、M、B、N四点在同一圆上等价于|AE|=|BE|=12|MN|,从而14|AB|2+|DE|2=14|MN|2,即4(m2+1)2+(2m+2m)2+(2m2+2)2=4(m2+1)2(2m2+1)m4,
  化简得m2-1=0,解得m=1或m=-1.
  所求直线l的方程为x-y-1=0或x+y-1=0.
  命题立意知识:抛物线的定义与方程、直线与抛物线的位置关系以及两直线的位置关系、圆的性质等.能力:考查转化与化归、函数与方程、数形结合的数学思想,考查考生的逻辑推理能力与运算求解能力.试题难度:较大.   例6(2014年福建卷文21)已知曲线Γ上的点到点F(0,1)的距离比它到直线y=-3的距离小2.
  (1)求曲线Γ的方程;
  (2)曲线Γ在点P处的切线l与x轴交于点A,直线y=3分别与直线l及y轴交于点M,N.以MN为直径作圆C,过点A作圆C的切线,切点为B.试探究:当点P在曲线Γ上运动(点P与原点不重合)时,线段AB的长度是否发生变化?证明你的结论.
  分析(1)由题意判断曲线是抛物线,用定义求曲线方程或用直接法求曲线方程;
  (2)先求出切线方程,联立相关方程得出A,M的坐标,用勾股定理表示AB的长度.
  解析(1)解法一:设S(x,y)为曲线Γ上任意一点,依题意,点S到F(0,1)的距离与它到直线y=-1的距离相等,所以曲线Γ是以点F(0,1)为焦点、直线y=-1为准线的抛物线,所以曲线Γ的方程为x2=4y.
  解法二:设S(x,y)为曲线Γ上任意一点,则|y-(-3)|-(x-0)2+(y-1)2=2,依题意,点S(x,y)只能在直线y=-3的上方,所以y>-3,所以(x-0)2+(y-1)2=y+1,
  化简,得曲线Γ的方程为x2=4y.
  图3(2)当点P在曲线Γ上运动时,线段AB的长度不变.
  证明如下:如图3,由(1)知抛物线的方程为y=14x2,设P(x0,y0)(x0≠0),则y0=14x20,由y′=12x,得切线l的斜率k=y′|x=x0=12x0,所以切线l的方程为y-y0=12x0(x-x0),即y=12x0x-14x20.
  由y=12x0x-14x20,
  y=0,解得A(12x0,0).
  由y=12x0x-14x20,
  y=3,解得M(12x0+6x0,3).
  又N(0,3),所以圆心C(14x0+3x0,3),
  半径r=12|MN|=|14x0+3x0|,
  |AB|=|AC|2-r2
  =[12x0-(14x0+3x0)]2+32-(14x0+3x0)2
  =6
  所以点P在曲线Γ上运动时,线段AB的长度不变.
  命题立意知识:抛物线的定义与性质,导数的几何意义,直线与圆的位置关系,直线与抛物线的位置关系等.能力:考查考生的运算求解能力、推理论证能力,考查数形结合思想、函数与方程思想、特殊与一般思想、化归与转化思想.试题难度:较大.
  从以上分析中我们可以看出,圆与圆锥曲线的交汇性问题已成为高考命题的重点和热点题型.对此,我们只有平心静气地认真研究,不断寻求解决问题的方法、技巧,才能实现真正意义上的突破和提高.
  (收稿日期:2015-02-12)
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