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第八节第1课时审题上——4大策略找到解题突破口教案_02高考数学_新高考复习资料_2022年新高考资料_2022届一轮复习讲练结合_第八章解析几何

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第八节第1课时审题上——4大策略找到解题突破口教案_02高考数学_新高考复习资料_2022年新高考资料_2022届一轮复习讲练结合_第八章解析几何
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第八节 解析几何压轴大题的解题策略指导 第1课时 审题上——4大策略找到解题突破口 解析几何研究的问题是几何问题,研究的方法是代数法(坐标法).因此,求解解析几何问题最 大的思维难点是转化,即几何条件代数化.如何在解析几何问题中实现代数式的转化,找到 常见问题的求解途径,是突破解析几何问题难点的关键所在.突破解析几何难题,先从找解 题突破口入手. 策略一 垂直关系的转化 [典例] 如图所示,已知圆C:x2+y2-2x+4y-4=0,问:是否存在斜 率为1的直线l,使l与圆C交于A,B两点,且以AB为直径的圆过原 点?若存在,求出直线l的方程;若不存在,请说明理由. [解题观摩] 假设存在斜率为1的直线l,使l与圆C交于A,B两点, 且以AB为直径的圆过原点. 设直线l的方程为y=x+b,点A(x,y),B(x,y). 1 1 2 2 联立 消去y并整理得2x2+2(b+1)x+b2+4b-4=0, 所以x+x=-(b+1),xx=.① 1 2 1 2 因为以AB为直径的圆过原点,所以OA⊥OB, 即xx+yy=0.又y=x+b,y=x+b, 1 2 1 2 1 1 2 2 则xx+yy=xx+(x+b)(x+b)=2xx+b(x+x)+b2=0.由①知,b2+4b-4-b(b+1)+ 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 b2=0, 即b2+3b-4=0,解得b=-4或b=1. 当b=-4或b=1时,均有Δ=4(b+1)2-8(b2+4b-4)=-4b2-24b+36>0,即直线l与圆C 有两个交点. 所以存在直线l,其方程为x-y+1=0或x-y-4=0. [名师微点] (1)以AB为直径的圆过原点等价于OA⊥OB,而OA⊥OB又可以“直译”为xx+yy=0,可以 1 2 1 2 看出,解此类解析几何问题的总体思路为“直译”,然后对个别难以“直译”的条件先进行 “转化”,将“困难、难翻译”的条件通过平面几何知识“转化”为“简单、易翻译”的条件 后再进行“直译”,最后联立“直译”的结果解决问题. (2)几何关系“直角”坐标化的转化方式 ①点B在以线段F F 为直径的圆上; 1 2 ②F1B·F2B=0; ③k ·k =-1; F1B F2B ④勾股定理. 以上关系可相互转化.[针对训练] 1.已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点,且其离心率为,过坐标原点O作两条互相垂直的射线与 椭圆C分别相交于M,N两点. (1)求椭圆C的方程; (2)是否存在圆心在原点的定圆与直线MN总相切?若存在,求定圆的方程;若不存在,请说 明理由. 解:(1)∵椭圆C经过点,∴+=1, 又∵=,解得a2=4,b2=3. ∴椭圆C的方程为+=1. (2)当直线MN的斜率不存在时,由对称性, 设M(x,x),N(x,-x). 0 0 0 0 ∵M,N在椭圆C上,∴+=1,∴x=. ∴O到直线MN的距离为d=|x|=,∴x2+y2=. 0 当直线MN的斜率存在时, 设MN的方程为y=kx+m, 由得(3+4k2)x2+8kmx+4m2-12=0. 设M(x,y),N(x,y), 1 1 2 2 则x+x=-,xx=. 1 2 1 2 ∵OM⊥ON,∴xx+yy=0, 1 2 1 2 ∴xx+(kx+m)(kx+m) 1 2 1 2 =(k2+1)xx+km(x+x)+m2=0. 1 2 1 2 ∴(k2+1)·-+m2=0, 即7m2=12(k2+1). ∴O到直线MN的距离为d== =, 故存在定圆x2+y2=与直线MN总相切.策略二 角平分线条件的转化 [典例] 已知动圆过定点A(4,0),且在y轴上截得的弦MN的长为8. (1)求动圆圆心的轨迹C的方程; (2)已知点B(-1,0),设不垂直于x轴的直线l与轨迹C交于不同的两点P,Q,若x轴是 ∠PBQ的角平分线,求证:直线l过定点. [解题观摩] (1)设动圆圆心为点P(x,y),则由勾股定理得x2+42=(x-4)2+y2,化简即得圆心 的轨迹C的方程为y2=8x. (2)证明:法一:由题意可设直线l的方程为y=kx+b(k≠0).联立得k2x2+2(kb-4)x+b2=0. 由Δ=4(kb-4)2-4k2b2>0,得kb<2. 设点P(x,y),Q(x,y), 1 1 2 2 则x+x=-,xx=. 1 2 1 2 因为x轴是∠PBQ的角平分线,所以k +k =0, PB QB 即k +k =+= PB QB ==0, 所以k+b=0,即b=-k,所以l的方程为y=k(x-1). 故直线l恒过定点(1,0). 法二:设直线PB的方程为x=my-1,它与抛物线C的另一个交点为Q′,设点P(x,y), 1 1 Q′(x,y),由条件可得,Q与Q′关于x轴对称,故Q(x,-y). 2 2 2 2 联立消去x得y2-8my+8=0, 其中Δ=64m2-32>0,y+y=8m,yy=8. 1 2 1 2 所以k ==, PQ 因而直线PQ的方程为y-y=(x-x). 1 1 又yy=8,y=8x, 1 2 1 将PQ的方程化简得(y-y)y=8(x-1), 1 2 故直线l过定点(1,0). 法三:由抛物线的对称性可知,如果定点存在, 则它一定在x轴上, 所以设定点坐标为(a,0),直线PQ的方程为x=my+a. 联立消去x,整理得y2-8my-8a=0,Δ>0. 设点P(x,y),Q(x,y),则 1 1 2 2 由条件可知k +k =0, PB QB 即k +k =+ PB QB = ==0, 所以-8ma+8m=0. 由m的任意性可知a=1,所以直线l恒过定点(1,0).法四:设P,Q, 因为x轴是∠PBQ的角平分线, 所以k +k =+=0, PB QB 整理得(y+y)=0. 1 2 因为直线l不垂直于x轴,所以y+y≠0,可得yy=-8.因为k ==,所以直线PQ的方程 1 2 1 2 PQ 为y-y=,即y=(x-1). 1 故直线l恒过定点(1,0). [名师微点] 本题前面的三种解法属于比较常规的解法,主要是设点,设直线方程,联立方程,并借助判别 式、根与系数的关系等知识解题,计算量较大.解法四巧妙地运用了抛物线的参数方程进行 设点,避免了联立方程组,计算相对简单,但是解法二和解法四中含有两个参数y,y,因此 1 2 判定直线过定点时,要注意将直线的方程变为特殊的形式. [针对训练] 2.椭圆C:+=1(a>b>0)经过点(,0),左、右焦点分别是F ,F ,P点在 1 2 椭圆上,且满足∠F PF =90°的P点只有两个. 1 2 (1)求椭圆C的方程; (2)过F 且不垂直于坐标轴的直线l交椭圆C于A,B两点,在x轴上 2 是否存在一点N(n,0),使得∠ANB的角平分线是x轴?若存在,求出n;若不存在,请说明理 由. 解:(1)由题设知P点为椭圆的上下顶点,所以a=, b=c,b2+c2=a2,故a=,b=1,故椭圆C方程为+y2=1. (2)设直线l的方程为x=my+1(m≠0),联立 消x得y2+2my-1=0. 设A,B坐标为A,B, 则有y+y=-,y·y=-, 1 2 1 2 又x=my +1,x=my +1, 1 1 2 2 假设在x轴上存在这样的点N(n,0),使得x轴是∠ANB的平分线,则有k +k =0, AN BN 而k +k =+= AN BN = ==0. 将y+y=-,y·y=-代入2my y+(1-n)=0, 1 2 1 2 1 2有2m+(1-n)==0, 即2m(n-2)=0.因为m≠0,故n=2.所以存在点N(2,0),使得∠ANB的平分线是x轴.策略三 弦长条件的转化 [典例] 如图所示,已知椭圆G:+y2=1,与x轴不重合的直线l经 过左焦点F ,且与椭圆G相交于A,B两点,弦AB的中点为M,直 1 线OM与椭圆G相交于C,D两点. (1)若直线l的斜率为1,求直线OM的斜率; (2)是否存在直线l,使得|AM|2=|CM||DM|成立?若存在,求出直线l 的方程;若不存在,请说明理由. [解题观摩] (1)由题意可知点F (-1,0),又直线l的斜率为1, 1 故直线l的方程为y=x+1.设点A(x,y),B(x,y), 1 1 2 2 由消去y并整理得3x2+4x=0, 则x+x=-,y+y=, 1 2 1 2 因此中点M的坐标为. 故直线OM的斜率为=-. (2)假设存在直线l,使得|AM|2=|CM||DM|成立. 由题意,直线l不与x轴重合, 设直线l的方程为x=my-1. 由消去x并整理得(m2+2)y2-2my-1=0. 设点A(x,y),B(x,y),则 1 1 2 2 可得|AB|=|y-y| 1 2 = =, x+x=m(y+y)-2=-2=, 1 2 1 2 所以弦AB的中点M的坐标为, 故直线CD的方程为y=-x. 联立消去y并整理得x2=2, 解得x2==. 由对称性,设C(x,y),D(-x,-y),则x=, 0 0 0 0 可得|CD|=·|2x|==2 . 0 因为|AM|2=|CM||DM|=(|OC|-|OM|)(|OD|+|OM|),且|OC|=|OD|, 所以|AM|2=|OC|2-|OM|2, 故=-|OM|2, 即|AB|2=|CD|2-4|OM|2,代入|AB|,|CD|和|OM|, 得=-4, 解得m2=2,故m=±. 所以直线l的方程为x=y-1或x=-y-1. [名师微点] 本题(2)的核心在于转化|AM|2=|CM||DM|中弦长的关系.由|CM|=|OC|-|OM|,|DM|=|OD|+|OM|,又|OC|=|OD|,则|AM|2=|OC|2-|OM|2.又|AM|=|AB|,|OC|=|CD|,因此|AB|2=|CD|2 -4|OM|2,转化为弦长|AB|,|CD|和|OM|三者之间的数量关系,易计算. [针对训练] 3.(2021·福建宁德质量检查)已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,Q在抛物线C上,且| QF|=. (1)求抛物线C的方程及t的值; (2)若过点M(0,t)的直线l与抛物线C相交于A,B两点,N为AB的中点,O是坐标原点,且 S =S ,求直线l的方程. △AOB △MON 解:(1)∵|QF|=,∴+=, 解得p=2, ∴抛物线C的方程为y2=4x. 将Q的坐标代入y2=4x,得t=2. (2)设A(x,y),B(x,y),N(x,y),由(1)知M(0,2). 1 1 2 2 0 0 显然直线l的斜率存在,设直线l:y=kx+2(k≠0), 联立 消去y得k2x2-4(1-k)x+4=0. ∵Δ=16(1-k)2-16k2>0,得k<且k≠0, ∴x+x=,xx=. 1 2 1 2 ∵S =S ,∴|AB|=|MN|, △AOB △MON ∴|x-x|=·|x-0|,即|x-x|=|x|. 1 2 0 1 2 0 ∵N是AB的中点,∴x=, 0 ∴(x+x)2-4xx=3·,整理得(x+x)2=16xx, 1 2 1 2 1 2 1 2 ∴2=,解得k=-1或,满足题意. 直线l的方程为y=-x+2或y=x+2. 策略四 面积条件的转化 [典例] 设椭圆的中心在坐标原点,A(2,0),B(0,1)是它的两个顶点,直线y=kx(k>0)与椭圆 交于E,F两点,求四边形AEBF的面积的最大值. [解题观摩] 法一:如图所示,依题意得椭圆的方程为+y2=1, 直线AB,EF的方程分别为x+2y=2,y=kx(k>0). 设点E(x,kx),F(x,kx),其中x<x, 1 1 2 2 1 2 且x,x 满足方程(1+4k2)x2=4, 1 2 故x=-x= .① 2 1 根据点到直线的距离公式和①,得点E,F到直线AB的距离分别为h==, 1 h==. 2 又|AB|==,所以四边形AEBF的面积为 S=|AB|·(h+h)=··==2=2=2≤2, 1 2 当且仅当=4k,即k=时取等号. 因此四边形AEBF的面积的最大值为2. 法二:依题意得椭圆的方程为+y2=1. 直线EF的方程为y=kx(k>0). 设点E(x,kx),F(x,kx),其中x<x. 1 1 2 2 1 2 联立消去y,(1+4k2)x2=4. 故x=,x=, 1 2 |EF|=·|x-x|= . 1 2 根据点到直线的距离公式,得点A,B到直线EF的距离分别为d==,d= . 1 2 因此四边形AEBF的面积为S=|EF|·(d+d)=··==2=2=2≤2, 1 2 当且仅当=4k,即k=时取等号. 因此四边形AEBF的面积的最大值为2. [名师微点] 如果利用常规方法理解为S =S +S =|EF|·(d+d)(其中d,d 分别表示点A, 四边形AEBF △AEF △BEF 1 2 1 2 B到直线EF的距离),则需要通过联立直线与椭圆的方程,先由根与系数的关系求出|EF|的 弦长,再表示出两个点线距,其过程很复杂.而通过分析,若把四边形AEBF的面积拆成两个 小三角形——△ABE和△ABF的面积之和,则更为简单.因为直线AB的方程及其长度易求 出,故只需表示出点E与点F到直线AB的距离即可. [针对训练] 4.已知椭圆+=1(a>b>0)右焦点F(1,0),离心率为,过F作两条互相垂直的弦AB. (1)求椭圆的标准方程; (2)求以A,B,C,D为顶点的四边形的面积的取值范围. 解:(1)由题意得c=1,=,∴a=,则b=c=1, ∴椭圆的标准方程为+y2=1. (2)①当两直线一条斜率不存在一条斜率为0时, S=|AB|·|CD|=×2×=2. ②当两直线斜率存在且都不为0时, 设直线AB的方程为y=k(x-1),A(x,y),B(x,y), 1 1 2 2 将其代入椭圆方程整理得(1+2k2)x2-4k2x+2k2-2=0, 则x+x=,xx=, 1 2 1 2 则|AB|=|x-x|=. 1 2 同理,|CD|=, 则S=|AB|·|CD|=··===2-∈, 当k=±1时,S=.综上所述,四边形面积的取值范围是.[总结规律·快速转化] 做数学,就是要学会翻译,把文字语言、符号语言、图形语言、表格语言相互转换,我们要学会 对解析几何问题中涉及的所有对象逐个理解、表示、整理,在理解题意的同时,牢记解析几何 的核心方法是“用代数方法研究几何问题”,核心思想是“数形结合”,牢固树立“转化”意 识,那么就能顺利破解解析几何的有关问题.附几种常见几何条件的转化,以供参考: 1.平行四边形条件的转化 几何性质 代数实现 (1)对边平行 斜率相等,或向量平行 (2)对边相等 长度相等,横(纵)坐标差相等 (3)对角线互相平分 中点重合 2.直角三角形条件的转化 几何性质 代数实现 (1)两边垂直 斜率乘积为-1,或向量数量积为0 (2)勾股定理 两点间的距离公式 (3)斜边中线性质(中线等于斜边一半) 两点间的距离公式 3.等腰三角形条件的转化 几何性质 代数实现 (1)两边相等 两点间的距离公式 (2)两角相等 底边水平或竖直时,两腰斜率相反 垂直:斜率或向量 (3)三线合一(垂直且平分) 平分:中点坐标公式 4.菱形条件的转化 几何性质 代数实现 (1)对边平行 斜率相等,或向量平行 (2)对边相等 长度相等,横(纵)坐标差相等 垂直:斜率或向量 (3)对角线互相垂直平分 平分:中点坐标公式、中点重合 5.圆条件的转化 几何性质 代数实现 (1)点在圆上 点与直径端点向量数量积为零 (2)点在圆外 点与直径端点向量数量积为正数 (3)点在圆内 点与直径端点向量数量积为负数 6.角条件的转化几何性质 代数实现 (1)锐角、直角、钝角 角的余弦(向量数量积)的符号 (2)倍角、半角、平分角 角平分线性质,定理(夹角、到角公式) (3)等角(相等或相似) 比例线段或斜率 1.在直角坐标系xOy中,抛物线C:x2=6y与直线l:y=kx+3交于M,N两点. (1)设M,N到y轴的距离分别为d,d,证明:d 与d 的乘积为定值; 1 2 1 2 (2)y轴上是否存在点P,当k变化时,总有∠OPM=∠OPN?若存在,求点P的坐标;若不存 在,请说明理由. 解:(1)证明:将y=kx+3代入x2=6y,得x2-6kx-18=0. 设M(x,y),N(x,y),则xx=-18, 1 1 2 2 1 2 从而dd=|x|·|x|=|xx|=18为定值. 1 2 1 2 1 2 (2)存在符合题意的点,证明如下: 设P(0,b)为符合题意的点,直线PM,PN的斜率分别为k,k. 1 2 从而k+k=+==. 1 2 当b=-3时,有k+k=0对任意k恒成立,则直线PM的倾斜角与直线PN的倾斜角互补, 1 2 故∠OPM=∠OPN,所以点P(0,-3)符合题意. 2.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的短轴长为2,离心率为,点A(3,0),P是C上的动点,F为C 的左焦点. (1)求椭圆C的方程; (2)若点P在y轴的右侧,以AP为底边的等腰△ABP的顶点B在y轴上,求四边形FPAB面 积的最小值. 解:(1)依题意得解得 ∴椭圆C的方程是+=1. (2)设P(x,y)(-<y<,y≠0,x>0), 0 0 0 0 0 设线段AP中点为M,又A(3,0), ∴AP中点M,直线AP的斜率为, 由△ABP是以AP为底边的等腰三角形,可得BM⊥AP, ∴直线AP的垂直平分线方程为 y-=-, 令x=0得B, ∵+=1,∴B, 由F(-2,0),∴四边形FPAB的面积S=(|y|+)=≥5, 0 当且仅当2|y|=,即y=±时等号成立, 0 0 四边形FPAB面积的最小值为5.3.(2021年1月新高考八省联考卷)双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左顶点为A,右焦点为F,动 点B在C上.当BF⊥AF时,|AF|=|BF|. (1)求C的离心率; (2)若B在第一象限,证明:∠BFA=2∠BAF. 解:(1)当|BF|=|AF|,且BF⊥AF时, 有c+a==,所以a=c-a,解得e=2. (2)证明:由(1)知双曲线方程为-=1, 设B(x,y)(x>0,y>0)易知渐近线方程为y=±x, 所以∠BAF∈,∠BFA∈,当x>a,x≠2a时,则k =,k =. AB BF 设∠BAF=θ,则tan θ=,tan 2θ========-k =tan∠BFA. BF 因为2∠BAF∈,所以∠BFA=2∠BAF. 当x=2a时,由(1)可得∠BFA=,∠BAF=, 故∠BFA=2∠BAF.综上,∠BFA=2∠BAF. 4.已知椭圆W: +=1的长轴长为4,左、右顶点分别为A,B,经过点P(n,0)的直线与椭圆W 相交于不同的两点C,D(不与点A,B重合). (1)当n=0,且直线CD⊥x轴时, 求四边形ACBD的面积; (2)设n=1,直线CB与直线x=4相交于点M,求证:A,D,M三点共线. 解:(1)由题意,得a2=4m=4, 解得m=1. 所以椭圆W方程为+y2=1. 当n=0及直线CD⊥ x轴时,易得C(0,1),D(0,-1). 且A(-2,0),B(2,0). 所以|AB|=4,|CD|=2,显然此时四边形ACBD为菱形, 所以四边形ACBD的面积为×4×2=4. (2)证明:当直线CD的斜率k不存在时,由题意,得CD的方程为x=1, 代入椭圆W的方程,得C,D, 易得CB的方程为y=-(x-2). 则M(4,-),AM=(6,-),AD=, 所以AM=2AD,即A,D,M三点共线. 当直线CD的斜率k存在时,设CD的方程为y=k(x-1)(k≠0),C(x,y),D(x,y), 1 1 2 2 联立方程 消去y, 得(4k2+1)x2-8k2x+4k2-4=0. 由题意,得Δ>0恒成立, 故x+x=,xx=. 1 2 1 2 直线CB的方程为y=(x-2). 令x=4,得M. 又因为A(-2,0),D(x,y), 2 2则直线AD,AM的斜率分别为k =, AD k =,所以k -k =-=. AM AD AM 上式中的分子 3y(x-2)-y(x+2)=3k(x-1)(x-2)-k(x-1)(x+2)=2kxx-5k(x+x) 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2 1 2 +8k=2k×-5k×+8k=0, 所以k -k =0.所以A,D,M三点共线. AD AM 5.(2021·福州一模)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左焦点为F(-1,0),过F且垂直于x轴的直 线被椭圆截得的弦长为3. (1)求椭圆C的方程; (2)已知点M(-4,0),过F作直线l交椭圆于A,B两点,证明:∠FMA=∠FMB. 解:(1)由题意可知c=1,把x=-1代入椭圆方程可得+=1,解得y=±, ∴=,又a2=b2+1,可得a=2,b=, ∴椭圆C的方程为+=1. (2)证明:当直线l的斜率不存在时,由对称性可知:∠FMA=∠FMB. 当直线l的斜率存在时,设直线l的方程为y=k(x+1), 代入椭圆方程可得(3+4k2)x2+8k2x+4k2-12=0, 设A(x,y),B(x,y), 1 1 2 2 则x+x=,xx=, 1 2 1 2 ∴k +k =+ AM BM = =. ∵2xx+5(x+x)+8=-+8=0, 1 2 1 2 ∴k +k =0,∴∠FMA=∠FMB. AM BM 综上,∠FMA=∠FMB. 6.(2021·青岛质检)已知椭圆+=1(a>b>0)的左焦点为F,A,B是椭圆上关于原点O对称的两 个动点,当点A的坐标为时,△ABF的周长恰为7. (1)求椭圆的方程; (2)过点F作直线l交椭圆于C,D两点,且CD=λAB(λ∈R),求△ACD面积的取值范围. 解:(1)当点A的坐标为时,= =,所以=3. 由对称性,得+=2a, 所以2a=7-3=4,得a=2. 将点代入椭圆方程中,解得b2=4, 所以椭圆方程为+=1. (2)当直线AB的斜率不存在时,=2, 此时S =×2×2=2. △ACD 当直线AB的斜率存在时,设直线CD的方程为y=k(x+2)(k≠0). 由消去y整理得(1+2k2)x2+8k2x+8k2-8=0.显然Δ>0,设C(x,y),D(x,y), 1 1 2 2则 故=·= ·= ·=. 因为CD=λAB (λ∈R),所以CD∥AB, 所以点A到直线CD的距离即为点O到直线CD的距离d=, 所以S =××d =× △ACD ==4 =2 =2 , 因为1+2k2>1,所以0<<1, 所以0