简化圆锥曲线运算的几种数学思想

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  一、整体思想
  对有些圆锥曲线问题,注意其整体结构特点,设法将问题整体变形转化,以达到避免一些不必要的运算,降低解题难度.
  例1 已知F1(-c,0)、F2(c,0)是椭圆M:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦点,O为坐标原点,
  圆F2是以F2为圆心,c为半径的圆.若点P(-1,32)在椭圆上,线段PF2的中点在y轴上.
  (1)求椭圆M的方程;
  (2)如图,过F2且斜率为正数的直线l与椭圆M交于A,D两点,与圆F2交于B,C两点(A、B、C、D自下而上),且AB=5CD,求直线l的方程.
  解:(1)由已知,c=1,1a2+94b2=1,a2=b2+c2,解得a2=4b2=3.
  ∴椭圆M的方程为x24+y23=1.
  (2)设直线l的斜率为k,(k>0),A(x1,y1),
  D(x2,y2),
  则l的方程为y=k(x-1),
  x24+y23=1y=k(x-1)(4k2+3)x2-8k2x+4k2-12=0,
  ∴x1+x2=8k24k2+3,①
  x1x2=4k2-124k2+3,②
  ∵AB=5CD,
  ∴AF2-1=5(DF2-1),∴AF2=5DF2-4,
  ∴12(4-x1)=52(4-x2)-4,
  ∴x1=5x2-8,③
  联立①②③,得k2=3,又∵k>0,∴k=3.
  二、方程思想
  把圆锥曲线问题中的解析式看作一个方程,通过解方程的手段或对方程的研究,使问题得到解决,这种思想方法在解析几何试题中经常使用.
  例2 已知双曲线C:(1-a2)x2+a2y2=a2(a>1),设该双曲线上支的顶点为A,且上支与直线y=-x相交于P点,一条以A为焦点,M(0,m)为顶点,开口向下的抛物线通过点P,设PM的斜率为k,且14≤k≤13,求实数a的取值范围.
  解:由双曲线方程知A(0,1),则抛物线方程为x2=-4(m-1)(y-m),由双曲线与直线相交,解得点P的坐标为(-a,a),又因为点P在抛物线上,所以
  a2=-4(m-1)(a-m) ①
  而MP的斜率为k=m-aa,所以m=ak+a,
  将m=ak+a代入①,
  得a2=-4(ak+a-1)(-ak),
  即4ak2+4(a-1)k-a=0 ②
  根据题意,方程②在区间[14,13]上有实根,
  令f(k)=4ak2+4(a-1)k-a,其对称轴方程为k=1-a2a<0,
  所以f(14)≤0f(13)≥0127≤a≤4,
  所以实数a的取值范围为[127,4].
  三、极端思想
  通过考查圆锥曲线问题的极端元素,灵活地借助极限状态解题,则可以避开抽象及复杂运算,优化解题过程,降低解题难度.这是简化运算量的一条重要途径.
  例3 求已知离心率e=25,过点(1,0)且与直线l:2x-y+3=0相切于点(-23,53),长轴平行于y轴的椭圆方程.
  解:把点(-23,53)看作离心率e=25的椭圆(x+23)2+15(y-53)2=0(“点椭圆”),则与直线l:2x-y+3=0相切于该点的椭圆系即为过直线l与“点椭圆”的公共点的椭圆系方程为:(x+23)2+15(y-53)2+λ(2x-y+3)=0,
  又由于所求的椭圆过点(1,0),代入上式得,λ=-23,
  因此,所求椭圆方程为:x2+y25=1.
  四、补集思想
  有些圆锥曲线问题,从正面处理较难,常需分类讨论,运算量大,且讨论不全又容易出错,如用补集思想考虑其对立面,可以达到化繁为简的目的.
  例4 k为何值时,直线l:y-1=k(x-1)不能垂直平分抛物线y2=x的某弦.
  解:设I={k|k∈R},A={k|直线l垂直平分抛物线y2=x的某弦}.若直线l垂直平分抛物线的弦AB,且A(x1,y1),B(x2,y2),则y21=x1,y22=x2,
  上述两式相减得:(y1-y2)(y1+y2)=x1-x2,
  即-1k=y1-y2x1-x2=1y1+y2.
  又设M是弦AB的中点,且M(x0,y0),
  则y0=y1+y22=-k2,
  因为点M在直线l上,所以x0=12-1k.
  由于M在抛物线的内部,所以y20  即(-k2)2<12-1kk3-2k+4k<0
  (k+2)(k2-2k+2)k<0-2  故原命题中k的取值范围是k≤-2或k≥0.
  五、函数思想
  对于圆锥曲线问题上一些动点,在变化过程中会引入一些相互联系、相互制约的变量,从而使变量与其中的参变量之间构成函数关系,此时,用函数思想与函数方法处理起来十分方便.
  例5 直线m:y=kx+1和双曲线x2-y2=1的左支交于A、B两点,直线l过P(-2,0)和AB线段的中点M,求l在y轴上的截距b的取值范围.
  解:由y=kx+1x2-y2=1(x≤-1)消去y得(k2-1)x2+2kx+2=0,由题意,有:
  Δ=4k2+8(1-k2)>0x1+x2=2k1-k2<0x1x2=-21-k2>01  设M(x0,y0),则x0=x1+x22=k1-k2y0=kx0+1=11-k2.   由P(-2,0)、M(k1-k2,11-k2)、Q(0,b)三点共线,可求得b=2-2k2+k+2,
  设f(k)=-2k2+k+2=-2(k-14)2+178,
  则f(k)在(1,2)上为减函数.
  所以f(2)  所以-(2-2)2.
  六、参数思想
  处理圆锥曲线问题,可以通过引入参变量替换,使许多相关或不相关的量统一在参变量下,其妙处在于减少未知量的个数或转化原命题的结构,以达到简化解题过程的目的.
  例6 当a为何实数时,椭圆(x-a)22+y2=1与曲线C:y2=12x有公共点?
  解:椭圆方程变形为:(x-a2)2+y2=1,
  设x-a2=cosθ,y=sinθ,即x=a+2cosθ,y=sinθ代入曲线C得:
  sin2θ=12(a+2cosθ),
  即a=2sin2θ-2cosθ (1)
  椭圆与曲线C有交点,等价于方程(1)有解,即等价于函数y=2sin2θ-2cosθ的值域,
  所以a=2sin2θ-2cosθ=94-2(cosθ+24)2,
  因为-2≤94-2(cosθ+24)2≤94,所以a的取值范围是[-2,94].
  七、转化思想
  数学问题的求解过程,实际上就是问题的转化过程.它主要体现在条件由“隐”转化为“显”,结论由“暗”转化为“明”,即从陌生向熟悉、复杂向简单、间接向直接的过程.
  例7 设圆满足:①截y轴所得弦长为2;②被x轴分成两段圆弧,其弧长的比为3∶1.在满足条件①、②的所有圆中,求圆心到直线l:x-2y=0的距离最小的圆的方程.
  解:设圆的圆心为P(a,b),半径为r,由①知r2=a2+1;由②知,圆P截x轴所得劣弧对应的圆心角为90°,即圆P截x轴所得的弦长为2r,故有r2=2b2,消去r得圆心的轨迹为:2b2-a2=1.
  如何求圆心P(a,b)到直线l:x-2y=0的距离d=|a-2b|5的最小值,这样转化为从不同角度求条件最值问题.
  转化1:变量替换求最值
  ∵2b2-a2=1,∴(2b+a)(2b-a)=1,
  设2b+a=t(t≠0),则有2b-a=1t,解得2a=t-1t,22b=t+1t,所以有
  d=|a-2b|5=|(t-1t)-2(t+1t)|25
  =|(2-1)t+(2+1)1t|25
  =(2-1)t+1(2-1)t25≥55,
  当且仅当(2-1)|t|=1(2-1)|t|,即|t|=2+1时,d达到最小值.此时可求得a=b=1或a=b=-1.
  由于r2=2b2,故r=2.于是所求圆的方程是:
  (x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2.
  转化2:三角代换求最值
  令2b=1cosθ,a=tanθ,0≤θ≤2π,
  则d=|a-2b|5=2-sinθ5|cosθ|sinθ±5dcosθ=2,
  所以1+5d2sin(θ±φ)=2,
  由sin(θ±φ)=21+5d2≤1,得d≥55,
  当d达到最小值55时,sin(θ±φ)=1,从而φ=±π4,并由此解得θ=π4或θ=3π4,
  即a=b=1或a=b=-1,以下同解法1.
  转化3:判别式法求最值
  由d=|a-2b|5得a-2b=±5b,
  即a2=4b2±45bd+5d2 ①
  将a2=2b2-1代入①式,整理得2b2±45bd+5d2+1=0 ②
  把它看作b的一元二次方程,由于方程有实根,故判别式非负,即
  Δ=8(5d2-1)≥0,得5d2≥1,
  所以d≥55,
  将d=55代入②,得2b2±4b+2=0,
  解得b=±1,
  从而r2=2b2=2,a=±1,由|a-2b|=1,知a与b同号,
  于是,所求圆的方程为:(x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2.
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