圆锥曲线一题多解探究

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  圆锥曲线是解析几何的重要知识之一,它涉及的概念多、公式多、方法多. 在学习过程中,注重一题多解,既可以让我们了解各知识模块之间的联系,又可以培养创新思考、发散思维的能力,提高数学素养.
  例1 已知双曲线[x2a2-y2b2=1a>0,b>0]的两个焦点为[F1,F2],若[P]为其上一点,且[PF1=2PF2],则双曲线离心率的取值范围为( )
  A. (1,3) B. [1,3]
  C. (3,+[∞]) D. [3,+∞]
  解法一 利用三角形正、余弦定理求解.
  如图,设[PF2=m],[∠F1PF2=θ(0<θ≤π)],当点[P]在右顶点[A]处时,[θ=π].
  [∵e=2c2a=m2+(2m)2-4m2cosθm=5-4cosθ],
  又[-1≤cosθ<1],∴[e∈1,3],选B.
  解法二 利用三角形的两边之和大于第三边,及两边之差小于第三边. 但要注意可以取到等号成立,因为存在三点一线的情况.
  设[PF2=m],则[PF1=2m].
  [∴PF1-PF2=m=2a].
  又[∵PF1+PF2≥F1F2](当且仅当[P,F1,F2]三点共线时,等号成立),
  [∴3m≥2c. 故6a≥2c. ∴e=ca≤3.]
  [又e>1],[∴e∈1,3],选B.
  解法三 利用焦半径公式确定[a]与[c]的关系.
  设点[Px0,y0][x0≥a],由焦半径公式可得,[PF1=ex0+a,PF2=ex0-a].
  [∵PF1=2PF2],
  [∴ex0+a=2ex0-a, 即x0=3ae≥a].
  故[e≤3],又[e>1],[∴e∈1,3],选B.
  解法四 利用数形结合求解.
  [∵PF1-PF2=2a],又[|PF1|=2|PF2|],
  [∴PF2=2a],即在双曲线的右支上恒存在点[P]使得[PF2=2a].
  由上图可知,[AF2≤PF2.]
  [∴OF2-OA=c-a≤2a].
  [∴c≤3a. ∴e=ca≤3].
  又[e>1],[∴e∈1,3],选B.
  点评 求解圆锥曲线离心率的取值范围,常涉及列不等式、三角形中角度的变化、圆锥曲线的定义和性质等知识点,综合性强,计算量大.
  例2 已知直线[l]过点[D0,3],且与椭圆[4x2+9y2=36]交于不同两点[M],[N],设[DM=λND],求实数[λ]的取值范围.
  解法一 如图1,设[M(x1,y1)] ,[N(x2,y2)] .
  (1)当直线[l]斜率不存在时,由于[DADB=5],且[λ<0],
  故[λ=-5],或[λ=-15].
  图1
  (2)当直线[l]斜率存在时,设[l]:[y=kx+3] ,
  联立方程[4x2+9y2=36,y=kx+3]消元得,
  [(9k2+4)x2+54kx+45=0].①
  由①得,[Δ=(54k)2-180(9k2+4)>0],即[k2>59].
  [x1+x2=-54k4+9k2],[x1?x2=454+9k2].
  又∵[DM=λND],即[(x1,y1-3)=λ(-x1,3-y1)],
  ∴[x1=-λx2].
  于是[x1+x22x1x2=(1-λ)2-λ=(54k)245(4+9k2)=36×95×(4k2+9)].
  [∵k2>59],[∴365>(1-λ)2-λ>4],
  解得,[-5<λ<-1],或[-1<λ<-15].
  综上所述,实数[λ]的取值范围是[-5≤λ<-1],或 [-1<λ≤-15].
  解法二 如图2,[DM]与[ND]反向,
  ∴[λ<0],[λ=-DMND].
  图2
  [∵]直线[l]绕点[D]在直线[l1]和[y]轴之间旋转,
  [∴1  于是实数[λ]的取值范围是[-5≤λ<-1],或[-1<λ≤-15].
  解法三 如图3,[DM]与[ND]反向,
  ∴[λ<0],[λ=-DMND].
  图3
  过点[M]作[y]轴的垂线,垂足为[M1];过点[N]作[y]轴的垂线,垂足为[N1].
  因此,[ΔDMM1]∽[ΔDNN1],∴[DMDN=DM1DN1].
  当直线[l]绕[D]点从[y]轴向直线[l1]旋转时(假设直线[l]与椭圆顺次交于[M,N]两点),[DM1]在逐渐增大,[DN1]在逐渐减小.
  于是[15=DBDA≤DM1DN1<1].
  当[M],[N]相互交换位置又会得到,[1  从而实数[λ]的取值范圍是[-5≤λ<-1],或[-1<λ≤-15].
  点评 上述解法一运算麻烦,许多同学只能列出式子,而算不出最后结果;还需对特殊情况进行讨论,有不少同学就是因为忽视了对特殊情况的讨论而丢分. 解法二看似思路清晰、运算简便,也省去了分类讨论,在许多同学看来似乎是一个妙法,但仔细分析就会发现,解法二的推理是不严密的. 解法二的推理依据是直线[l]绕[D]点从[y]轴向直线[l1]旋转的过程中(假设直线[l]与椭圆顺次交于[M,N]两点),[DM]在逐渐将增大,[DN]在逐渐减小,于是比值[NDDM]在逐渐减小. 事实上,在旋转过程中[DM]确实在逐渐增大,但是[DN]却不是在逐渐减小.[DN]的最大值并不一定是[DA],它与椭圆的“扁”的程度有关,也就是说[DN]并不是在逐渐减小,由此得出[NDDM]在逐渐减小是欠妥当的,是缺乏推理依据的. 解法三思路清晰、运算简便,既避免了烦琐的运算和分类讨论,又弥补了解法二的推理不严密性,不失为一种妙法. 许多直线与椭圆、双曲线、抛物线相交求参数范围的问题都可用此法.   例3 已知椭圆[C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)]过点[(0,1)],且离心率为[32].
  (1)求椭圆[C]的方程;
  (2)[A,B]为椭圆[C]的左、右顶点,点[P]是椭圆[C]上异于[A,B]的动点,直线[AP,BP]分别交直线[l:x=22]于[E,F]两点. 证明:以线段[EF]为直径的圆恒过[x]轴上的定点.
  解析 (1)由题意得,[b=1].
  而[ca=32],且[a2=b2+c2]. 解得,[a=2].
  [∴]椭圆的方程为[x24+y2=1].
  (2)由题意得,[A(-2,0),B(2,0)].
  设[P(x0,y0)],直线[AP]的方程为[y=y0x0+2(x+2)].
  令[x=22],
  则[y=(22+2)y0x0+2],即[E22,(22+2)y0x0+2].
  直线[BP]的方程为[y=y0x0-2(x-2)],
  令[x=22],
  则[y=(22-2)y0x0-2],即[F22,(22-2)y0x0-2].
  证法一:设点[M(m,0)]在以线段[EF]为直径的圆上.
  则[ME?MF=0],
  即[(m-22)2+(22+2)(22-2)y20x20-4=0].
  [∴(m-22)2=4y204-x20].
  而[x204+y20=1],即[4y20=4-x20],
  [∴(m-22)2=1],[∴m=22+1],或[m=22-1].
  [∴]以线段[EF]为直径的圆必过[x]轴上的定点[(22+1,0)],或[(22-1,0)].
  证法二:以线段[EF]为直径的圆为
  [(x-22)2+y-(22+2)y0x0+2?y-(22-2)y0x0-2=0].
  令[y=0]得,[(x-22)2+(22+2)(22-2)y20x20-4=0],
  ∴[(x-22)2=4y204-x20].
  而[x204+y20=1].
  即[4y20=4-x20],
  ∴[(x-22)2=1],[∴x=22+1],或[x=22-1].
  [∴]以线段[EF]为直径的圆必过[x]轴上的定点[(22+1,0)],或[(22-1,0)].
  证法三:令[P(0,1)],则[lAP:x-2+y1=1].
  令[x=22]得,[E(22,1+2)].
  同理,[F(22,1-2)].
  ∴以[EF]为直径的圆为[(x-22)2+(y-1)2=2].
  当[y=0]时,[x=1+22],或[x=1-22].
  ∴圆过[A(22+1,0),B(22-1,0)].
  令[P(x0,y0)],
  直线[AP]的方程为[y=y0x0+2(x+2)],
  令[x=22],
  则[y=(22+2)y0x0+2],即[E22,(22+2)y0x0+2].
  直线[BP]的方程为[y=y0x0-2(x-2)],
  令[x=22],
  则[y=(22-2)y0x0-2],即[F22,(22-2)y0x0-2].
  ∵[kAE?kAF=y20?4x20-4=-1],
  ∴点[A]在以[EF]为直径的圆上.
  同理,点[B]也在[EF]为直径的圆上.
  ∴定点为[A(22+1,0),或B(22-1,0)].
  解析几何中的圆锥曲线问题可以转化为函数、导数、三角、向量、不等式等代数问题来求解. 在学习中可以通过一题多解,培养自己的分析能力,提高自己的数学思维能力,切实提高自己熟练运用代数方法解决几何问题的能力.
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