例析圆锥曲线解答题中的双向量系数问题

2022-04-25 14:50李宁
数理化解题研究·高中版 2022年3期
关键词:圆锥曲线

摘要:圆锥曲线解答题中常涉及以向量形式呈现的条件,求解两个向量系数相关的定值或最值问题. 文章结合具体例子总结这类问题常见的解题策略.

关键词:圆锥曲线;向量系数;定值最值

中图分类号:G632文献标识码:A文章编号:1008-0333(2022)07-0033-03

收稿日期:2021-12-05

作者简介:李宁(1989-),男,海南省文昌人,硕士,中学一级教师,从事高中数学教学研究.[FQ)]

圆锥曲线解答题的一些条件涉及两个向量系数,如AP=λPB,AQ=μQB,或OC=λOA+μOB,然后求解跟λ和μ有关的定值或最值问题. 下面结合具体例子总结处理这类问题的解题策略.

例1点P(1,2)在抛物线C:y2=4x上,过点Q(0,1)的直线l与抛物线C有两个不同的交点A,B,设直线PA交y轴于点M,直线PB交y轴于点N. 设O为原点,QM=λQO,QN=μQO,求证:1λ+1μ为定值.

解析设A(x1,y1),B(x2,y2),M(0,y3),N(0,y4),则QM=(0,y3-1),QO=(0,-1).

于是y3-1=-λ,即λ=1-y3.

同理,μ=1-y4.

由于P,A,M三点共线,有

y3-2-1=y1-2y214-1=4y1+2.

解得y3=2y1y1+2.

同理,y4=2y2y2+2.

直线l斜率不为0,设其方程为x=m(y-1),

与y2=4x联立,得

y2-4my+4m=0.

从而y1+y2=4m,y1y2=4m.

所以1λ+1μ=11-y3+11-y4

=y1+22-y1+y2+22-y2

=8-2y1y24-2(y1+y2)+y1y2

=8-8m4-8m+4m

=2.

所以1λ+1μ为定值.

评注λ和μ与点M,N的纵坐标有关,而M,N两点与A,B两点有关,1λ+1μ最终可以转化为与A,B两点纵坐标有关的表达式. 考虑到最后要通过纵坐标来运算,所以设直线l的方程为x=m(y-1),降低了计算量. 这类定值问题,可以用相应点的横坐标或者纵坐标构建目标表达式,然后将直线方程和圆锥曲线方程联立,利用韦达定理整体消元即可得到定值.

例2直线l经过椭圆C:x22+y2=1的右焦点F交椭圆于A,B两点. 若直线l交y轴于点M,且MA=λAF,MB=μBF,则λ+μ是否为定值?若是,求出λ+μ的值;否则,请说明理由.

解析由题知F(1,0),设A(x1,y1),B(x2,y2),M(0,y0),则

MA=(x1,y1-y0),

AF=(1-x1,-y1).

从而x1=λ(1-x1),y1-y0=-λy1.

即x1=λ1+λ,y1=y01+λ.

因为点A在椭圆C上,则

λ1+λ2+2y01+λ2=2.

即λ2+4λ+2-2y20=0.

同理,μ2+4μ+2-2y20=0.

从而λ和μ是二次方程x2+4x+2-2y20=0的两根,故λ+μ=-4,为定值,定值为-4.

评注例2和例1类似,可以用相应点的横坐标或纵坐标来表示λ+μ,再利用韦达定理整体消元. 这里注意到例2的特殊性,A,B两点地位相同,利用点A在椭圆C上构建λ有关的二次方程,同理得到跟μ有关的二次方程,利用韦达定理直接得到λ+μ的值.

例3設A为椭圆C:x22+y2=1上的一个动点,F1,F2分别为椭圆的左右焦点,AM,AN分别为过F1,F2的弦,且AF1=λF1M,AF2=μF2N,求证:λ+μ为定值.

解析由题知F1(-1,0),F2(1,0),设A(x1,y1),M(x2,y2),N(x3,y3),则

AF1=(-1-x1,-y1),

F1M=(x2+1,y2).

故-1-x1=λ(x2+1),-y1=λy2.

即x2=-1+λ+x1λ,y2=-y1λ.

因为点M在椭圆C上,从而

1+λ+x1λ2+2y1λ2=2.

即(1+λ)2+2(1+λ)x1+x21+2y21=2λ2.

又x21+2y21=2,从而

2(1+λ)x1=λ2-2λ-3=(λ-3)(λ+1).

由于λ>0,从而2x1=λ-3.

即λ=2x1+3.

同理μ=-2x1+3.

故λ+μ=6为定值.

评注从构图上来看,点A确定了以后,整个图形就能确定下来. 通过设点法,充分利用点在椭圆上消去二次项,得到参数之间的关系. 其实,也可以通过焦半径的计算来实现转化.

AF1=(x1+1)2+y21A969713E-28B4-4C01-9BB8-E008144CB8AE

=x21+2x1+1+(1-x212)

=(x1+2)22

=x1+22.

同理,F1M=x2+22,从而x1+2x2+2=λ.

又由AF1=λF1M得到-1-x1=λ(x2+1).

从而λ=2x1+3.

例4设过椭圆C:x2100+y225=1的右焦点F且倾斜角为45°的直线l和椭圆交于A,B两点,对于椭圆上任意一点M,若OM=λOA+μOB,求λμ的最大值.

解析由题意,直线AB的方程为y=x-53,

与x2100+y225=1联立,得

x2-83x+40=0.

设A(x1,y1),B(x2,y2),则

x1+x2=83,x1x2=40.

设M(x0,y0),则由OM=λOA+μOB,得

x0=λx1+μx2,y0=λy1+μy2.

由于M在椭圆上,从而

(λx1+μx2)2+4(λy1+μy2)2=100.

即λ2(x21+4y21)+λ2(x22+4y22)+2λμ(x1x2+4y1y2)=100.

又x21+4y21=100,

x22+4y22=100,

x1x2+4y1y2

=x1x2+4(x1-53)(x2-53)

=5x1x2-203(x1+x2)+300

=20,

于是λ2+μ2+2λμ5=1.

所以1=λ2+μ2+2λμ5≥2λμ+2λμ5=125λμ.从而λμ≤512,

当λ=μ=156时等号成立.

故λμ的最大值为512.

评注这里充分利用M,A,B三点在椭圆上来处理二次项,由直线方程和椭圆方程联立,通过韦达定理处理交叉项x1x2+4y1y2.

小结这类问题往往涉及到圆锥曲线上两个或更多动点,可以由题目给的向量条件沟通相应点的横坐标和纵坐标的关系,接下来就是消元. 可以分析整个图形的构图,考查是由动直线还是动点主导,从而考虑采取设线法还是设点法. 设线法,用韋达定理整体消元;设点法,利用点在圆锥曲线上来消元.

练习1过点P(0,3)的直线l交抛物线C:y2=4x于A,B两点,交x轴于点D,若PD=λDA=μDB,则λ+μ是否为定值?若是,求出该定值;若不是,请说明理由.

答案:λ+μ=-1.

练习2已知椭圆C:x212+y24=1,直线l与x轴的正半轴和y轴分别交于点Q,P,与椭圆C相交于M,N两点,各点互不重合,且满足PM=λMQ,PN=μNQ,其中λ+μ=-3,证明:直线l恒过定点,并求出定点的坐标.

答案:(2,0).

参考文献:

[1] 李宁,贺航飞,屈韬.韦达定理在圆锥曲线一些对称结构中的应用[J].数学通讯,2018(01):7-9.

[责任编辑:李璟]A969713E-28B4-4C01-9BB8-E008144CB8AE

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