文档内容
第 32 节 圆锥曲线中的定点定值问题
基本技能要落实
考点一 直线过定点问题
【例1】(2022·兰州一模)设M点为圆C:x2+y2=4上的动点,点M在x轴上的投影为
N.动点P满足2PN=MN,动点P的轨迹为E.
(1)求E的方程;
(2)设E的左顶点为D,若直线l:y=kx+m与曲线E交于A,B两点(A,B不是左、右
顶点),且满足|DA+DB|=|DA-DB|,求证:直线l恒过定点,并求出该定点的坐标.
【解析】(1)解 设点M(x ,y ),P(x,y),由题意可知N(x ,0),
0 0 0
∵2PN=MN,∴2(x -x,-y)=(0,-y ),
0 0
即x =x,y =y,
0 0
又点M在圆C:x2+y2=4上,∴x+y=4,
将x =x,y =y代入得+=1,
0 0
即轨迹E的方程为+=1.
(2)证明 由(1)可知D(-2,0),设A(x ,y ),B(x ,y ),
1 1 2 2
联立得得(3+4k2)x2+8mkx+4(m2-3)=0,
Δ=(8mk)2-4(3+4k2)(4m2-12)=16(12k2-3m2+9)>0,
即3+4k2-m2>0,∴x +x =,x x =.
1 2 1 2
y y =(kx +m)(kx +m)=k2x x +mk(x +x )+m2=.
1 2 1 2 1 2 1 2
∵|DA+DB|=|DA-DB|,∴DA⊥DB,
即DA·DB=0,
即(x +2,y )·(x +2,y )=x x +2(x +x )+4+y y =0,
1 1 2 2 1 2 1 2 1 2
∴+2×+4+=0,
∴7m2-16mk+4k2=0,
解得m =2k,m =k,且均满足3+4k2-m>0.
1 2
当m=2k时,l的方程为y=kx+2k=k(x+2),
直线恒过点(-2,0),与已知矛盾;
当m=k时,l的方程为y=kx+k=k,直线恒过点.
∴直线l过定点,定点坐标为.【方法技巧】
圆锥曲线中定点问题的两种解法
(1)引进参数法:引进动点的坐标或动线中系数为参数表示变化量,再研究变化的量与
参数何时没有关系,找到定点.
(2)特殊到一般法,根据动点或动线的特殊情况探索出定点,再证明该定点与变量无关.
【跟踪训练】
1.已知点P是椭圆C:+=1(a>b>0)上一点,F ,F 分别是椭圆的左、右焦点,|PF |+|
1 2 1
PF |=4.
2
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)设直线l不经过P点且与椭圆C相交于A,B两点.若直线PA与直线PB的斜率之和
为1,问:直线l是否过定点?证明你的结论.
【解析】(1)由|PF |+|PF |=4,得a=2,
1 2
又P在椭圆上,
代入椭圆方程有+=1,解得b=,
所以椭圆C的标准方程为+=1.
(2)当直线l的斜率不存在时,A(x ,y ),B(x ,-y ),
1 1 1 1
k +k ==1,解得x =-4,不符合题意;
1 2 1
当直线l的斜率存在时,设直线l的方程y=kx+m,
A(x ,y ),B(x ,y ),
1 1 2 2
由整理得(3+4k2)x2+8kmx+4m2-12=0,
x +x =,x x =,Δ=48(4k2-m2+3)>0.
1 2 1 2
由k +k =1,整理得(2k-1)x x +(x +x )+2m-4=0,
1 2 1 2 1 2
即(m-4k)(2m-2k-3)=0.
当m=k+时,此时,直线l过P点,不符合题意;
当m=4k时,Δ=4k2-m2+3>0有解,此时直线l:y=k(x+4)过定点(-4,0).
考点二 其他曲线过定点问题
【例2】已知椭圆C :+=1(a>b>0)的左、右顶点分别是双曲线C :-y2=1的左、右
1 2
焦点,且C 与C 相交于点.
1 2
(1)求椭圆C 的标准方程;
1
(2)设直线l:y=kx-与椭圆C 交于A,B两点,以线段AB为直径的圆是否恒过定点?
1若恒过定点,求出该定点;若不恒过定点,请说明理由.
【解析】(1)将代入-y2=1,解得m2=1,
∴a2=m2+1=2,
将代入+=1,解得b2=1,
∴椭圆C 的标准方程为+y2=1.
1
(2)设A(x ,y ),B(x ,y ),
1 1 2 2
由整理得(9+18k2)x2-12kx-16=0,
∴x +x =,x x =,
1 2 1 2
Δ=144k2+64(9+18k2)>0.
由对称性可知,以AB为直径的圆若恒过定点,则定点必在y轴上.
设定点为M(0,y ),则
0
MA=(x ,y -y ),MB=(x ,y -y ),
1 1 0 2 2 0
MA·MB=x x +(y -y )(y -y )
1 2 1 0 2 0
=x x +y y -y (y +y )+y
1 2 1 2 0 1 2
=x x +k2x x -(x +x )-y++y
1 2 1 2 1 2 0
=(1+k2)x x -k(x +x )+y+y +
1 2 1 2 0
==0,
∴解得y =1,
0
∴M(0,1),
∴以线段AB为直径的圆恒过定点(0,1).
【方法技巧】
1.定点问题,先猜后证,可先考虑运动图形是否有对称性及特殊(或极端)位置猜想,如
直线的水平位置、竖直位置,即k=0或k不存在时.
2.以曲线上的点为参数,设点P(x ,y ),利用点在曲线f(x,y)=0上,即f(x ,y )=0消
1 1 1 1
参.
【跟踪训练】
1.(2022·湖南三湘名校联考)已知椭圆C:+=1(a>b≥1)的离心率为,其上焦点到直线
bx+2ay-=0的距离为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过点P的直线l交椭圆C于A,B两点.试探究以线段AB为直径的圆是否过定点.若过,求出定点坐标;若不过,请说明理由.
【解析】(1)由题意得,e==,
又a2=b2+c2,
所以a=b,c=b.
又=,a>b≥1,
所以b2=1,a2=2,
故椭圆C的方程为+x2=1.
(2)当AB⊥x轴时,以线段AB为直径的圆的方程为+y2=.
当AB⊥y轴时,以线段AB为直径的圆的方程为x2+y2=1.
可得两圆交点为Q(-1,0).
由此可知, 若以线段AB为直径的圆恒过定点,则该定点为Q(-1,0).
下证Q(-1,0)符合题意.
设直线l的斜率存在,且不为0,
其方程为y=k,代入+x2=1,
并整理得(k2+2)x2-k2x+k2-2=0,
设A(x ,y ),B(x ,y ),
1 1 2 2
则x +x =,x x =,
1 2 1 2
所以QA·QB=(x +1)(x +1)+y y
1 2 1 2
=x x +x +x +1+k2
1 2 1 2
=(1+k2)x x +(x +x )+1+k2
1 2 1 2
=(1+k2)·+·+1+k2=0,
故QA⊥QB,即Q(-1,0)在以线段AB为直径的圆上.
综上,以线段AB为直径的圆恒过定点(-1,0).
考点三 长度或距离为定值
【例3】(2020·北京卷)已知椭圆C:+=1过点A(-2,-1),且a=2b.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过点B(-4,0)的直线l交椭圆C于点M,N,直线MA,NA分别交直线x=-4于点
P,Q,求的值.
【解析】(1)由椭圆过点A(-2,-1),得+=1.
又a=2b,∴+=1,解得b2=2,∴a2=4b2=8,∴椭圆C的方程为+=1.
(2)当直线l的斜率不存在时,显然不合题意.
设直线l:y=k(x+4),
由得(4k2+1)x2+32k2x+64k2-8=0.
由Δ>0,得-<k<.
设M(x ,y ),N(x ,y ),
1 1 2 2
则x +x =,x x =.
1 2 1 2
又∵直线AM:y+1=(x+2),
令x=-4,得y =-1.
P
将y =k(x +4)代入,得y =.
1 1 P
同理y =.
Q
∴y +y =-(2k+1)
P Q
=-(2k+1)·
=-(2k+1)·
=-(2k+1)·=0.
∴|PB|=|BQ|,∴=1.
【方法技巧】
1.定点问题,先猜后证,可先考虑运动图形是否有对称性及特殊(或极端)位置猜想,如
直线的水平位置、竖直位置,即k=0或k不存在时.
2.以曲线上的点为参数,设点P(x ,y ),利用点在曲线f(x,y)=0上,即f(x ,y )=0消
1 1 1 1
参.
【跟踪训练】
1.在平面直角坐标系xOy中,已知双曲线C :2x2-y2=1.设椭圆C :4x2+y2=1.若M,
1 2
N分别是C ,C 上的动点,且OM⊥ON,求证:O到直线MN的距离是定值.
1 2
【解析】当直线ON垂直于x轴时,|ON|=1,|OM|=,则O到直线MN的距离为,
当直线ON不垂直于x轴时,设直线 ON的方程为y=kx,则直线OM的方程为y=-
x,
由得所以|ON|2=,
同理|OM|2=,
设O到直线MN的距离为d,因为(|OM|2+|ON|2)d2=|OM|2|ON|2,所以=+==3,即d=.
综上,O到直线MN的距离是定值.
考点四 斜率或其表达式为定值
【例4】(2022·西安调研)已知点Q是圆M:(x+)2+y2=36上的动点,点N(,0),若线
段QN的垂直平分线交MQ于点P.
(1)求动点P的轨迹E的方程;
(2)若A是轨迹E的左顶点,过点D(-3,8)的直线l与轨迹E交于B,C两点,求证:
直线AB,AC的斜率之和为定值.
【解析】(1)解 由题意可知,线段QN的垂直平分线交MQ于点P,所以|PN|=|PQ|,
则|PM|+|PN|=|PM|+|PQ|=6>2,所以P的轨迹是以M,N为焦点的椭圆,
设该椭圆方程为+=1(a>b>0),则2a=6,c=,所以b2=4,
可得动点P的轨迹E的方程为+=1.
(2)证明 由(1)可得,过点D的直线l斜率存在且不为0,
故可设l的方程为y=kx+m(k≠0),B(x ,y ),C(x ,y ),
1 1 2 2
由得(4+9k2)x2+18kmx+9m2-36=0,
Δ=(18km)2-4(4+9k2)(9m2-36)=144(9k2-m2+4)>0,
x +x =-,x x =,
1 2 1 2
而k +k =+=
AB AC
=
=
=
=,
由于直线l过点D(-3,8),所以-3k+m=8,
所以k +k =(即为定值).
AB AC
【跟踪训练】
1.(2022·大同模拟)如图,在平面直角坐标系xOy中,椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右顶
点分别为A,B,已知|AB|=4,且点在椭圆上,其中e是椭圆的离心率.(1)求椭圆C的方程;
(2)设P是椭圆C上异于A,B的点,与x轴垂直的直线l分别交直线AP,BP于点M,
N,求证:直线AN与直线BM的斜率之积是定值.
【解析】(1)解 ∵|AB|=4,∴2a=4,∴a=2,
又点在椭圆上,
∴+=1,
又b2+c2=a2=4,联立方程组解得b2=3,
∴椭圆方程为+=1.
(2)证明 设点P的坐标为(s,t),点M,N的横坐标为m(m≠±2),
则直线AP的方程为y=(x+2),
故M,故直线BM的斜率k =,
1
同理可得直线AN的斜率k =,
2
故k k =×=,
1 2
又点P在椭圆上,∴+=1,
∴t2=-(s2-4),
∴k k ==-.
1 2
即直线AN与直线BM的斜率之积为定值.
考点五 几何图形面积为定值
【例5】(2021·昆明诊断)已知椭圆E:+=1(a>b>0)的离心率为e,点(1,e)在椭圆E上,
点A(a,0),B(0,b),△AOB的面积为,O为坐标原点.
(1)求椭圆E的标准方程;
(2)若直线l交椭圆E于M,N两点,直线OM的斜率为k ,直线ON的斜率为k ,且
1 2
k k =-,证明:△OMN的面积是定值,并求此定值.
1 2
【解析】(1)由得b=1.
又S =ab=,得a=3.
AOB
所以 △ 椭圆E的标准方程为+y2=1.(2)当直线l的斜率不存在时,设直线l:x=t(-30,
x +x =-,x x =,
1 2 1 2
k k =×===-,
1 2
化简得9k2+1=2m2,满足Δ>0.
|MN|=|x -x |
1 2
=·
=·
=.
又原点O到直线l的距离d=,
所以S =×|MN|×d
OMN
△
=×
==.
综上可知,△OMN的面积为定值.
【方法技巧】
探求圆锥曲线中几何图形的面积的定值问题,一般用直接求解法,即可先利用三角形
面积公式(如果是其他凸多边形,可分割成若干个三角形分别求解)把要探求的几何图形
的面积表示出来,然后利用题中的条件得到几何图形的面积表达式中的相关量之间的
关系式,把这个关系式代入几何图形的面积表达式中,化简即可.
【跟踪训练】
1.已知点F(0,2),过点P(0,-2)且与y轴垂直的直线为l ,l ⊥x轴,交l 于点N,直
1 2 1
线l垂直平分FN,交l 于点M.
2
(1)求点M的轨迹方程;
(2)记点M的轨迹为曲线E,直线AB与曲线E交于不同两点A(x ,y ),B(x ,y ),且x
1 1 2 2 2-1=x +m2(m为常数),直线l′与AB平行,且与曲线E相切,切点为C,试问△ABC
1
的面积是否为定值.若为定值,求出△ABC的面积;若不是定值,说明理由.
【解析】(1)由题意得|FM|=|MN|,即动点M到点F(0,2)的距离和到直线y=-2的距
离相等,所以点M的轨迹是以F(0,2)为焦点,直线y=-2为准线的抛物线,根据抛
物线定义可知点M的轨迹方程为x2=8y.
(2)由题意知,直线AB的斜率存在,设其方程为 y=kx+b,由消去x整理得x2-8kx-
8b=0.
则x +x =8k,x ·x =-8b.
1 2 1 2
设AB的中点为Q,则点Q的坐标为(4k,4k2+b).
由条件设切线方程为y=kx+t,由消去y整理得x2-8kx-8t=0.
∵直线与抛物线相切,∴Δ=64k2+32t=0,∴t=-2k2,
∴切点C的横坐标为4k,∴点C的坐标为(4k,2k2).
∴CQ⊥x轴,∵x -x =m2+1,
2 1
∴(x -x )2=(x +x )2-4(-8b)
2 1 1 2
=64k2+32b=(m2+1)2,
∴b=.
∴S =|CQ|·|x -x |
ABC 2 1
=·( △ 2k2+b)·(x -x )
2 1
=,
∵m为常数,∴△ABC的面积为定值.
达标检测要扎实
1.给定椭圆C: ,称圆心在原点O、半径是 的圆为椭圆C的“准
圆”.已知椭圆C的一个焦点为 ,其短轴的一个端点到点F的距离为 .
(1)求椭圆C及其“准圆”的方程;
(2)若点A是椭圆C的“准圆”与x轴正半轴的交点,B,D是椭圆C上的相异两点,且 轴,
求 的取值范围;(3)在椭圆C的“准圆”上任取一点 ,过点P作两条直线 , ,使得 , 与椭圆C都只有
一个公共点,且 , 分别与椭圆的“准圆”交于M,N两点.证明:直线MN过原点O.
【解析】 (1)解:由题意知 , ,解得 ,
∴椭圆C的方程为 ,其“准圆”为 ;
(2)由题意,设 , , ,则有 ,
又A点坐标为 ,故 , ,
∴ ,
又 ,∴ ,
∴ 的取值范围是 ;
(3)
设 ,则 ,
当 时, ,则 , 其中之一斜率不存在,另一条斜率为0,∴ ;
当 时,设过 且与有一个公共点的直线l的斜率为k,
则l的方程为: ,代入椭圆C的方程,
得: ,即 ,
由 ,
得: ,将 代入上式得,其中 ,
设 , 的斜率分别为 , ,则 , 分别是上述方程的两个根,∴ ,
∴ .
综上所述, ,∴MN是准圆的直径,∴直线MN过原点O;
综上,椭圆方程为 ,“准圆”为 , 的取值范围是 .
2.已知椭圆 : 的左、右焦点分别为 , ,离心率 , 为椭圆上一
动点, 面积的最大值为2.
(1)求椭圆 的方程;
(2)若 , 分别是椭圆 长轴的左、右端点,动点 满足 ,连接 交椭圆于点 ,
为坐标原点.证明: 为定值.
【解析】 (1)当P为短轴端点时, 的面积最大, ,故 解得
,故椭圆 的方程为 .
(2)由(1)知, ,设直线 , , ,
联立 整理得 ,
由 得 , ,, ,
故 为定值4.
3.已知椭圆 ,上顶点和右顶点分别是 、 ,椭圆上有两个动点 、 ,
且 ,如图所示,已知 ,且焦距为 .
(1)求椭圆的标准方程;
(2)求四边形 面积的最大值;
(3)若 点在第二象限,求证:直线 与直线 的斜率之积为定值,并求直线 与直线 的交
点 的轨迹方程.
【解析】 (1)因为 ,所以 ,
由于焦距为 ,所以 , ,
所以
所以椭圆的标准方程为
(2)因为 ,所以 ,所以 ,
设直线 的方程为 ,, , , ,由 得 ,
由△ 得 , ,
,
直线 方程为 ,所以 ,
直线 与 之间的距离为 ,
所以四边形 的面积 ,
令 ,则 ,
令 ,则 ,
所以 ,所以当 时,
即 时,四边形 最大值为16,
(3)由第(2)问得 , ,
,
设直线 方程为 ,直线 方程为 ,
解法一:设 ,由 ,得 ,
所以 ,所以 ,
又因为点 在第二象限,所以 ,即 所以交点 的轨迹方程为 ;
解法二:设 ,则直线 与 交点的轨迹方程为 ,
即 ,所以 ,
所以 或 ,
因为直线 方程为 ,所以 ,
又因为点 在第二象限,所以 ,
即 所以交点 的轨迹方程为 .
4.在平面直角坐标系xOy中,已知点 , ,点M满足 .记M的
轨迹为C.
(1)求C的方程;
(2)设点P为x轴上的动点,经过 且不垂直于坐标轴的直线l与C交于A,B两点,且 ,
证明: 为定值.
【解析】 (1)由椭圆的定义可知:M的轨迹为以 , 为焦点的椭圆,且 ,
,所以 ,
所以C的方程为
(2)设直线l为: ,
则联立 得: ,
设 ,则 , ,
,
则 ,AB中点坐标为 ,
所以AB的垂直平分线为 ,
令 得: ,
所以 , ,
5.动点 与定点 的距离和 到定直线 的距离之比是常数 ,记动点
的轨迹为曲线 .
(1)求曲线 的方程;
(2)设 是曲线 上的一动点,由原点 向圆 引两条切线,分别交曲线
于点 ,若直线 的斜率均存在,并分别记为 ,试问 是否为定值?若是,
求出该值;若不是,请说明理由.
【解析】 (1)由题意,点 与定点 的距离 ,点 到直线
的距离 ,所以 ,即 ,
化简得 ,故曲线 的方程为 ;
(2)由题意可得,直线 的方程分别为 ,设 .由直线 与圆 相切可得 .
,同理 ,
所以 是方程 的两个根,所以 ,
所以 , ,
因为 是曲线 上的一动点,所以 ,
则有 ,
联立方程 ,所以 ,
所以 ,同理
所以 ,
因为 ,所以 ,
所以 .
6.已知 与 外切,与 内切.
(1)求点 的轨迹方程;
(2)若 是点 的轨迹上的两点, 为坐标原点,直线 的斜率分别为 ,直线 的斜
率存在, 的面积为 ,证明: 为定值.
【解析】 (1)设 的半径为 ,则 ,,故点 的轨迹与椭圆有关, ,
又由椭圆定义可知,点 的轨迹方程为 ;
(2)证明:设 ,直线 的方程为 ,
将 代入 整理得 ,
有 ,
,
原点 到直线 的距离为 ,
,即 ,
.
将 代入得 .
7.已知椭圆C: 的焦点是 、 ,且由椭圆上顶点、右焦点和原点
组成的三角形面积为 .
(1)求椭圆C的方程;
(2)设 , 、 是椭圆C上关于 轴对称的任意两个不同的点,连接 交椭圆C于另一点
E,证明:直线 与 轴相交于定点.【解析】 (1)设椭圆 : 的上顶点、右顶点和原点分别为 ,半焦距为
, ,
所以所求椭圆 的方程为
(2)设 、 、 ,直线 的方程为 ,则
由
得: ,
所以直线 与 轴相交于定点
8.已知 是圆 上的动点, 是线段 上一点, ,且
(1)求点 的轨迹 的方程
(2)过 的直线 分别与轨迹 交于点 和点 ,且 ,若 分别为
的中点,求证:直线NH过定点
【解析】 (1)由题意知 , .
因为 ,所以 ,所以点M的轨迹C是以A,B为左、右焦点,长轴长为4的椭圆.
设椭圆C的标准方程为 ,则a=2,c=1,
所以 ,所以点M的轨迹C的方程为 .
(2)因为 ,所以 .
i.当直线DE的斜率存在且不为0时,可设直线DE的方程为 (m≠0),则直线FG的方程为
.
联立 ,得消去x,可得 .
设 ,则 , ,
所以 .
同理可求: .
当 时, ,
所以直线NH的方程为:
整理得: ,
所以直线NH过定点 .
当 时, ,直线NH: 过定点 .
ii.当直线DE的斜率为0时,易得DE的中点N(0,0),FG的中点H(1,0);当直线DE的斜率不存在时,易得DE的中点N(1,0),FG的中点H(0,0).
所以当直线DE的斜率为0或不存在时, 直线NH: 过定点 .
综上所述:直线NH过定点 .
9.已知P为曲线C上一点,M,N为圆 与x轴的两个交点,直线PM,PN的斜率之积为
.
(1)求C的轨迹方程;
(2)若一动圆的圆心Q在曲线C上运动,半径为 .过原点O作动圆Q的两条切线,分别交椭圆
于E、F两点,当直线OE,OF的斜率存在时, 是否为定值?请证明你的结论.
【解析】 (1)由题意,不妨令 , ,设 ,则PM,PN斜率之积为
,
化简得 ,∴曲线C的轨迹方程为 .
(2)设Q点坐标为 ,则 .∵圆Q与直线OE、OF相切,设直线OE:
,则 ,
整理可得 ,
,设关于k的方程 的两根为 、 ,易得 、 即为直线OE,OF的
斜率,所以 .
10.已知椭圆 的左右顶点是双曲线 的顶点,且椭圆 的上顶
点到双曲线 的渐近线距离为 .
(1)求椭圆 的方程;
(2)点F为椭圆的左焦点,不垂直于x轴且不过F点的直线l与曲线 相交于A、B两点,若直线
FA、FB的斜率之和为0,则动直线l是否一定经过一定点?若存在这样的定点,则求出该定点的坐
标;若不存在这样的定点,请说明理由.
【解析】 (1)双曲线 的顶点坐标为 ,渐近线方程为 ,
依题意, ,椭圆上顶点为 到直线 的距离 ,解得 ,
所以椭圆的方程为 .
(2)依题意,设直线l的方程为 , 、 ,点 ,
由 消去y并整理得 ,则 ,
,直线FA、FB的斜率之和为 ,
即 ,有 ,整理得 ,此时
, ,否则 ,直线l过F点,
因此当 且 ,即 且 时,直线l与椭圆 交于两点,直线l:
,所以符合条件的动直线l过定点 .