当AP =λPB 出现时……

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  由于向量既能体现“形”的直观位置特征,又具有“数”的良好运算性质,是数形结合与转换的桥梁和纽带,因此,在向量与圆锥曲线交汇处设计试题,已经成为高考及各地统考命题的热点.下面就说说一个常见到的问题:圆锥曲线中给出AP =λPB (A,B为直线与曲线两交点)条件,众所周知,两向量相等当且仅当两个向量的长度相等、方向相同,由于向量坐标的唯一性,故两个向量相等的充要条件是坐标对应相等,此时利用向量相等的关系,就可把几何问题代数化.
  此类问题答题的一般过程如下:
  1.设(或写出)直线AB的方程;
  2.直线方程与曲线方程联立,整理成关于x(或y)的一元二次方程(如果P为x轴上的点,则整理成关于y的一元二次方程,反之整理成关于x的一元二次方程.);
  3.写出根与系数的关系;
  4.利用AP =λPB ,找x1,x2(或y1,y2)的关系,代入根与系数的关系中,消去x1,x2(或y1,y2),建立关于参数的方程.
  下面举例说明:
   例1   已知点P(0,1),椭圆 x2 4 +y2=m(m>1)上两点A,B满足AP =2PB ,则当m=      时,点B横坐标的绝对值最大.
   分析:  先根据条件得到A、B坐标间的关系,代入椭圆方程解得B的纵坐标,即得B的横坐标关m的函数关系,最后根据二次函数性质确定最值取法.
   解:  设A(x1,y1),B(x2,y2),由AP =2PB 得-x1=2x2,1-y1=2(y2-1),∴-y1=2y2-3,
  因为A、B在椭圆上,
  所以 x21 4 +y21=m, x22 4 +y22=m,
  ∴ 4x22 4 +(2y2-3)2=m,∴ x22 4 +(y2- 3 2 )2= m 4 ,
  与 x22 4 +y22=m对应相减得y2= 3+m 4 ,
  x22=- 1 4 (m2-10m+9)≤4,
  当且仅当m=5时取最大值.
  点睛: 解析几何中的最值是高考的热点,在圆锥曲线的综合问题中经常出现,求解此类问题的一般思路为在深刻认识运动变化的过程之中,抓住函数关系,将目标量表示为一个(或者多个)变量的函数,然后借助于函数最值的探求来使问题得以解决.
   例2   已知抛物线C:y2=3x的焦点为F,斜率为 3 2 的直线l与C的交点为A,B,与x轴的交点为P.
  (1)若|AF |+|BF |=4,求l的方程;
  (2)若AP =3PB ,求|AB |.
   分析:  (1)设直线l:y= 3 2 x+m,A(x1,y1),B(x2,y2);根据抛物线焦半径公式可得x1+x2= 5 2 ;联立直线方程与抛物线方程,利用韦达定理可构造关于m的方程,解方程求得结果;(2)设直线l:x= 2 3 y+t;联立直线方程与抛物线方程,得到韦达定理的形式;利用AP =3PB 可得y1=-3y2,结合韦达定理可求得y1y2;根据弦长公式可求得结果.
   解:  (1)设直线l方程为:y= 3 2 x+m,A(x1,y1),B(x2,y2),
  由抛物线焦半径公式可知:
  |AF |+|BF |=x1+x2+ 3 2 =4,∴x1+x2= 5 2 ,
  联立 y= 3 2 x+my2=3x ,得9x2+(12m-12)x+4m2=0,
  则Δ=(12m-12)2-144m2>0,∴m< 1 2 ,
  ∴x1+x2=- 12m-12 9 = 5 2 ,解得m=- 7 8 ,
  ∴直线l的方程为:y= 3 2 x- 7 8 ,
  即12x-8y-7=0.
  (2)设P(t,0),则可设直线l方程为:x= 2 3 y+t,
  联立 x= 2 3 y+ty2=3x ,得y2-2y-3t=0,
  则Δ=4+12t>0,∴t>- 1 3 ,
  ∴y1+y2=2,y1y2=-3t,
  ∵AP =3PB ,∴y1=-3y2,∴y2=-1,y1=3,∴y1y2=-3,
  則|AB |= 1+ 4 9  · (y1+y2)2-4y1y2
  =  13  3 · 4+12 = 4 13  3 .
  点睛: 本题考查抛物线的几何性质、直线与抛物线的综合应用问题,涉及到平面向量、弦长公式的应用.关键是能够通过直线与抛物线方程的联立,通过韦达定理构造等量关系.
   例3   已知抛物线C:y2=2px经过点P(1,2).过点Q(0,1)的直线l与抛物线C有两个不同的交点A,B,且直线PA交y轴于M,直线PB交y轴于N.
  (1)求直线l的斜率的取值范围;
  (2)设O为原点,QM =λQO ,QN =μQO ,求证: 1 λ + 1 μ 为定值.
   分析:  (1)先确定p,再设直线方程,与抛物线联立,根据判别式大于零解得直线l的斜率的取值范围,最后根据PA,PB与y轴相交,舍去k=3;(2)先设A(x1,y1),B(x2,y2),与抛物线联立,根据韦达定理可得x1+x2= 2k-4 k2 ,x1x2= 1 k2 .再由QM =λQO ,QN =μQO 得λ=1-yM,μ=1-yN,利用直线PA,PB的方程分别得点M,N的纵坐标,代入化简 1 λ + 1 μ 可得结论.    解:  (1)因为抛物线y2=2px经过点P(1,2),所以4=2p,解得p=2,所以抛物线的方程为y2=4x.
  由题意可知直线l的斜率存在且不为0,设直线l的方程为y=kx+1(k≠0).
  由 y2=4xy=kx+1 得k2x2+(2k-4)x+1=0.
  依题意Δ=(2k-4)2-4×k2×1>0,解得k<0或0<k<1.
  又PA,PB与y轴相交,故直线l不过点(1,-2). 从而k≠-3.
  所以直线l斜率的取值范围是(-∞,-3)∪(-3,0)∪(0,1).
  (2)设A(x1,y1),B(x2,y2).
  由(1)知x1+x2=- 2k-4 k2 ,x1x2= 1 k2 .
  直线PA的方程为y-2= y1-2 x1-1 (x-1).
  令x=0,得点M的纵坐标为
  yM= -y1+2 x1-1 +2= -kx1+1 x1-1 +2.
  同理得点N的纵坐标为yN= -kx2+1 x2-1 +2.
  由QM =λQO ,QN =μQO 得λ=1-yM,μ=1-yN.
  所以 1 λ + 1 μ = 1 1-yM + 1 1-yN
  = x1-1 (k-1)x1 + x2-1 (k-1)x2
  = 1 k-1 · 2x1x2-(x1+x2) x1x2
  = 1 k-1 ·  2 k2 + 2k-4 k2   1 k2  =2.
  故 1 λ + 1 μ 为定值.
  点睛: 利用向量共线可以将解析几何中的三点共线或者平行问题代数化,利用向量相等的充要条件是联系的桥梁,同时要注意设而不求技巧的体现.
   例4   已知椭圆C: x2 a2 + y2 b2 =1(a>b>0)的两焦点与短轴的一个端点的连线构成等腰直角三角形,直线x+y+1=0与以椭圆C的右焦点为圆心,以椭圆的长半轴长为半径的圆相切.
  (1)求椭圆的方程.
  (2)设P为椭圆上一点,若过点M(2,0)的直线l与椭圆E相交于不同的两点S和T,且满足OS +OT =tOP (O为坐标原点),求实数t的取值范围.
   分析:  (1)由题意可得圆的方程为(x-c)2+y2=a2, 圆心到直线x+y+1=0的距离d= |c+1|  2  =a(*); 根据椭圆C: x2 a2 + y2 b2 =1(a>b>0)的两焦点与短轴的一个端点的连线构成等腰直角三角形,b=c,a= 2 b= 2 c代入(*)式得b=c=1,即可得到所求椭圆方程;(2)由题意知直线l的斜率存在,设直线l方程为y=k(x-2),设P(x0,y0),将直线方程代入椭圆方程得:(1+2k2)x2-8k2x+8k2-2=0,
  根据Δ=64k4-4(1+2k2)(8k2-2)=-16k2+8>0得到k2< 1 2 ;设S(x1,y1),T(x2,y2),应用韦达定理x1+x2= 8k2 1+2k2 ,x1x2= 8k2-2 1+2k2 .讨论当k=0,t≠0的情况,确定t的不等式.
   解:  (1)由题意:以椭圆C的右焦点为圆心, 以椭圆的长半轴长为半径的圆的方程为(x-c)2+y2=a2,
  ∴圆心到直线x+y+1=0的距离
  d= |c+1|  2  =a (*)
  ∵椭圆C: x2 a2 + y2 b2 =1(a>b>0)的两焦点与短轴的一个端点的连线构成等腰直角三角形,∴b=c,a= 2 b= 2 c代入(*)式得b=c=1,∴a= 2 b= 2 c,
  故所求椭圆方程为 x2 2 +y2=1.
  (2)由题意知直线l的斜率存在,设直线l方程为y=k(x-2),设P(x0,y0),
  将直线方程代入椭圆方程得:
  (1+2k2)x2-8k2x+8k2-2=0,
  ∴Δ=64k4-4(1+2k2)(8k2-2)=-16k2+8>0,∴k2< 1 2 ,
  设S(x1,y1),T(x2,y2),
  则x1+x2= 8k2 1+2k2 ,x1x2= 8k2-2 1+2k2 ,
  當k=0时,直线l的方程为y=0,此时t=0,OS +OT =tOP 成立,故,t=0符合题意.
  当t≠0时,
  得 tx0=x1+x2= 8k2 1+2k2 ty0=y1+y2=k(x1+x2-4)= -4k 1+2k2  ,
  ∴x0= 1 t · 8k2 1+2k2 ,y0= 1 t · -4k 1+2k2 ,
  将上式代入椭圆方程得: 32k4 t2(1+2k2)2 + 16k2 t2(1+2k2)2 =1, 整理得:t2= 16k2 1+2k2 ,
  由k2< 1 2 知0<t2<4,所以t∈(-2,2).
  点睛: 确定椭圆方程需要两个独立条件,从题中挖掘关于a、b、c的等量关系;直线和椭圆的位置关系问题,往往要善于利用韦达定理设而不求,利用点P在椭圆上和向量式得t=f(k),进而求函数值域.
   例5   在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C: x2 a2 + y2 b2 =1(a>b≥1)的离心率e=  3  2 ,且椭圆C上一点N到点Q(0,3)的距离最大值为4,过点M(3,0)的直线交椭圆C于点A、B.   (1)求椭圆C的方程;
  (2)设P为椭圆上一点,且满足OA +OB =tOP (O为坐标原点),当|AB |< 3 时,求实数t的取值范围.
   分析:  第一问,先利用离心率列出表达式找到a与b的关系,又因为椭圆上的N点到点Q的距离最大值为4,利用两点间距离公式列出表达式,因为N在椭圆上,所以x2=4b2-4y2,代入表达式,利用配方法求最大值,从而求出b2=1,所以a2=4,所以得到椭圆的标准方程;第二问,先设A,P,B点坐标,由题意设出直线AB方程, 因为直线与椭圆相交,列出方程组,由韦达定理得到两根之和、两根之积,用坐标表示OA +OB =tOP 得出x,y,由于点P在椭圆上,得到一个表达式,再由|AB |< 3 ,得到一个表达式,2个表达式联立,得到t的取值范围.
   解:  (1)∵e2= c2 a2 = a2-b2 a2 = 3 4 ,∴a2=4b2,
  则椭圆方程为 x2 4b2 + y2 b2 =1即x2+4y2=4b2,
  设N(x,y),则|NQ|= (x-0)2+(y-3)2
  = 4b2-4y2+(y-3)2
  = -3y2-6y+4b2+9
  = -3(y+1)2+4b2+12 ,
  当y=-1时,|NQ|有最大值为 4b2+12 =4,
  解得b2=1,∴a2=4,椭圆方程是 x2 4 +y2=1.
  (2)设A(x1,y1),B(x2,y2),P(x,y),AB方程为y=k(x-3),
  由 y=k(x-3) x2 4 +y2=1 ,
  整得(1+4k2)x2-24k2x+36k2-4=0.
  由Δ=(-24k2)2-16(9k2-1)(1+4k2)>0,
  得k2< 1 5 .
  x1+x2= 24k2 1+4k2 ,x1x2= 36k2-4 1+4k2 ,
  ∴OA +OB =(x1+x2,y1+y2)=t(x,y),则
  x= 1 t (x1+x2)= 24k2 t(1+4k2) ,y= 1 t (y1+y2)= 1 t [k(x1+x2)-6k]= -6k t(1+4k2) .
  由点P在椭圆上,得 (24k2)2 t2(1+4k2)2 + 144k2 t2(1+4k2)2 =4,化简得36k2=t2(1+4k2) ①
  又由|AB |= 1+k2 |x1-x1|< 3 ,
  即(1+k2)[(x1+x1)2-4x1x2]<3,
  将x1+x2,x1x2
  代入得(1+k2)[( 24k2 1+4k2 )2- 4(36k2-4) 1+4k2 ]<3,
  化简,得(8k2-1)(16k2+13)>0,则8k2-1>0,k2> 1 8 ,∴ 1 8 <k2< 1 5  ②
  由①,得t2= 36k2 1+4k2 =9- 9 1+4k2 ,
  联立②,解得3<t2<4,∴-2<t<- 3 或 3 <t<2.
  点睛: 第一问中转化为求二次函数最大值后,要注意变量取值范圍;第二问利用点P在椭圆上,和已知向量等式得变量k,t的等量关系,和变量k,t的不等关系联立求参数t的取值范围.
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