解析几何定点定值问题“攻坚战”

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  解析几何中的定点与定值问题,一直是高考命题的热点,也是难点.如何突破这个难点?一直是困扰考生们的一个难题.我们一起来攻克这个“堡垒”!
  一、定点问题
  1.处理定点问题的思路:
  (1)确定题目中的核心变量(此处设为k);
  (2)利用条件找到k与过定点的曲线F(x,y)=0的联系,得到有关k与x,y的等式;
  (3)所谓定点,是指存在一个特殊的点(x0,y0),使得无论k的值如何变化,等式恒成立.此时要将关于k与x,y的等式进行变形,直至易于找到x0,y0.常见的变形方向如下:
  ①若等式的形式为整式,则考虑将含k的项归在一组,变形为“k·g(x,y)”的形式,从而x0,y0只需要先满足g(x,y)=0即可;
  ②若等式为含k的分式,x0,y0的取值一方面可以考虑使其分子为0,从而分式与分母的取值无关;或者考虑让分子分母消去k的式子变成常数(这两方面本质上可以通过分离常数进行相互转化,但通常选择容易观察到的形式).
  2.一些技巧与注意事项:
  (1)面对复杂问题时,可从特殊情况入手,以确定可能的定点(或定直线).然后再验证该点(或该直线)对一般情况是否符合.属于“先猜再证”.
  (2)有些题目所求与定值无关,但是在条件中会隐藏定点,且该定点通常是解题的关键条件.所以当遇到含参数的方程时,要清楚该方程为一类曲线(或直线),从而观察这一类曲线是否过定点.尤其在含参数的直线方程中,要能够找到定点,抓住关键条件.例如:直线l:y=kx k-1,就应该能够意识到y=k(x 1)-1,进而直线过定点(-1,-1).
  例1 椭圆C:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的离心率为12,其左焦点到点P(2,1)的距离为10.
  (1)求椭圆C的标准方程;
  (2)若直线l:y=kx m与椭圆C相交于A,B两点(A,B不是左右顶点),且以AB为直径的圆过椭圆C的右頂点.求证:直线l过定点,并求出该定点的坐标.
  解析:(1)e=ca=12a∶b∶c=2∶3∶1,设左焦点F1(-c,0),
  ∴|PF1|=(-c-2)2 (0-1)2=10,解得c=1.∴a=2,b=3.∴椭圆方程为x24 y23=1.
  (2)由(1)可知椭圆右顶点D(2,0).
  设A(x1,y1),B(x2,y2),∵以AB为直径的圆过D(2,0),
  ∴DA⊥DB即DA⊥DB,∴DA·DB=0,
  ∵DA=(x1-2,y1),DB=(x2-2,y2),
  ∴DA·DB=(x1-2)(x2-2) y1y2
  =x1x2-2(x1 x2) 4 y1y2=0 ①
  联立直线与椭圆方程:y=kx m
  3x2 4y2=12
  (3 4k2)x2 8mkx 4(m2-3)=0,
  ∴x1 x2=-8mk4k2 3,x1x2=4(m2-3)4k2 3,
  ∴y1y2=(kx1 m)(kx2 m)
  =k2x1x2 mk(x1 x2) m2
  =4k2(m2-3)4k2 3-8mk·mk4k2 3 m2
  =3m2-12k24k2 3,
  代入到①,DA·DB=4(m2-3)4k2 3 2·8mk4k2 3 4 3m2-12k24k2 3=0,
  ∴4m2-12 16mk 16k2 12 3m2-12k24k2 3=0,
  ∴7m2 16mk 4k2=0(7m 2k)(m 2k)=0,∴m=-27k或m=-2k,
  当m=-27k时,l:y=kx-27k=k(x-27),
  ∴l恒过(27,0),
  当m=-2k时,l:y=kx-2k=k(x-2),∴l恒过(2,0),但(2,0)为椭圆右顶点,不符题意,故舍去.∴l恒过(27,0).
  评注:本例通过求出含参直线方程来确定直线经过的定点.
  例2 如图,在平面直角坐标系xOy中,离心率为22的椭圆C:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的左顶点为A,过原点O的直线(与坐标轴不重合)与椭圆C交于P,Q两点,直线PA,QA分别与y轴交于M,N两点,当直线PQ的斜率为22时,|PQ|=23.
  (1)求椭圆C的标准方程;
  (2)试问以MN为直径的圆是否过定点(与PQ的斜率无关)?请证明你的结论.
  解析:(1)由kPQ=22可得:PQ:y=22x.
  ∴P(x0,22x0),
  由对称性可知:|OP|=12|PQ|=3.
  ∴x20 (22x0)2=3x0=2,
  ∴P(2,1),由e=ca=22可得a∶b∶c=2∶1∶1,
  ∴椭圆方程为x22b2 y2b2=1代入P(2,1),可得:b2=2,a2=4,
  所以椭圆C:x24 y22=1.
  (2)设P(x0,y0)由对称性可知Q(-x0,-y0),由(1)可知A(-2,0),
  设AP:y=k(x 2),联立直线与椭圆方程:
  y=k(x 2)
  x2 2y2=4x2 2k2(x 2)2=4,整理可得:
  (2k2 1)x2 8k2x 8k2-4=0,
  ∴xAx0=8k2-42k2 1解得:x0=2-4k22k2 1,代入y=k(x 2)可得:
  y0=k(2-4k22k2 1 2)=4k2k2 1,∴P(2-4k22k2 1,4k2k2 1)从而Q(-2-4k22k2 1,-4k2k2 1),   ∴kAQ=0-(-4k2k2 1)-2-(-2-4k22k2 1)=4k2k2 1-8k22k2 1=-12k,
  ∴AQ:y=-12k(x 2),因为M,N是直线PA,QA与y轴的交点,
  ∴M(0,2k),N(0,-1k),∴以MN为直径的圆的圆心为(0,2k2-12k),半径r=|2k2 12k|,
  ∴圆方程为:x2 (y-2k2-12k)2=(2k2 12k)2,整理可得:
  x2 y2-2k2-1ky (2k2-12k)2=(2k2 12k)2x2 y2-2k2-1ky=2,
  所以令y=0,解得x=±2.
  评注:本题通过求出含参数的圆方程来确定动圆经过的定点.
  二、定值问题
  所谓定值问题,是指虽然圆锥曲线中的某些要素(通常可通过变量进行体现)有所变化,但在变化过程中,某个量的值保持不变即为定值.
  1.常见定值问题的处理方法:
  (1)确定一个(或两个)变量为核心变量,其余量均利用条件用核心变量进行表示;
  (2)将所求表达式用核心变量进行表示(有的甚至就是核心变量),然后进行化简,看能否得到一个常数.
  2.定值问题的处理技巧:
  (1)对于较为复杂的问题,可先采用特殊位置(例如斜率不存在的直线等)求出定值,进而给后面一般情况的处理提供一个方向;
  (2)在运算过程中,尽量减少所求表达式中变量的个数,以便于向定值靠拢;
  (3)巧妙利用变量间的关系,例如点的坐标符合曲线方程等,尽量做到整体代入,简化运算.
  例3 已知椭圆x2a2 y2b2=1(a>b>0)经过点P(62,12),e=22,动点M(2,t)(t>0).
  (1)求椭圆标准方程;
  (2)设F为椭圆的右焦点,过F作OM的垂线与以OM为直径的圆交于点N,求证:ON的长为定值,并求出这个定值.
  解析:(1)由e=22可得:a∶b∶c=2∶1∶1,
  ∴椭圆方程可转化为:x22b2 y2b2=1,将P(62,12)代入椭圆方程可得:
  12b2(62)2 1b2(12)2=1,解得:b2=1.∴椭圆方程为x22 y2=1.
  (2)由(1)可得:F(1,0),OM:y=t2x.
  思路一:通过圆的性质可得ON⊥MN,而NF⊥OM(设垂足为K),由双垂直可想到射影定理,从而|ON|2=|OK|·|OM|,即可判定|ON|为定值,
  ∴FN:y=-2t(x-1),设OM与FN相交于K,
  则由y=t2x
  y=-2t(x-1)解得:K(4t2 4,2tt2 4),
  ∴|OK|=(4t2 4)2 (2tt2 4)2=4t2 4,
  |OM|=4 t2,
  ∵OM为圆的直径,∴ON⊥MN,∵NK⊥OM,
  由射影定理可得:|ON|2=|OK|·|OM|=2,
  ∴|ON|=2.
  思路二:本题也可从坐标入手,设N(x0,y0),则只需证明|ON|2=x20 y20为定值即可,通过条件寻找x0,y0关系,一方面:FN⊥OMFN·OM=0,可得2x0 ty0=2;另一方面由N点在圆上,可求出圆的方程(x-1)2 (y-t2)2=t24 1,从而(x0-1)2 (y0-t2)2=t24 1,展开后即可得到x20 y20为定值.
  解析:设N(x0,y0),则FN=(x0-1,y0),OM=(2,t),
  ∴FN·OM=2(x0-1) y0t=0,∴2x0 y0t=2,
  OM的中點坐标为(1,t2),|OM|=t2 4,
  ∴r=t2 42,
  ∴以OM为直径的圆方程为:
  (x-1)2 (y-t2)2=t24 1,
  代入N(x0,y0),可得:
  (x0-1)2 (y0-t2)2=t24 1,
  ∴x20 y20-2x0 1-ty0 t24=t24 1x20 y20=2x0 ty0=2,
  ∴x20 y20=2即|ON|2=2,∴|ON|=2.
  评注:本例思路一,利用几何性质求定值;思路二则通过整体代换求出定值.
  例4 已知椭圆C:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的离心率为23,半焦距为c(c>0),且a-c=1,经过椭圆的左焦点F,斜率为k1(k1≠0)的直线与椭圆交于A,B两点,O为坐标原点.
  (1)求椭圆C的方程;
  (2)设R(1,0),延长AR,BR分别与椭圆交于C,D两点,直线CD的斜率为k2,求证:k1k2为定值.
  解析:(1)e=ca=23,设c=2k,a=3k.由a-c=1可得:3k-2k=1k=1,
  ∴a=3,c=2,∴b2=a2-c2=5,
  ∴C:x29 y25=1.
  (2)由(1)可得F(-2,0),设A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3),D(x4,y4),
  可得:AR:y=y1x1-1(x-1)x=x1-1y1y 1,
  ∴联立方程x=x1-1y1y 1
  x29 y25=15-x1y21y2 x1-1y1y-4=0,
  ∴y1y3=-4y215-x1=4y21x1-5,∴y3=4y1x1-5,
  ∴x3=x1-1y1y3 1=5x1-9x1-5,
  ∴C(5x1-9x1-5,4y1x1-5),
  同理,直线BR与椭圆交点D的坐标为
  D(5x2-9x2-5,4y2x2-5),
  ∴k2=y3-y4x3-x4=4y1x1-5-4y2x2-55x1-9x1-5-5x2-9x2-5
  =4y1(x2-5)-4y2(x1-5)(5x1-9)(x2-5)-(5x2-9)(x1-5)
  =4y1(x2-5)-4y2(x1-5)16(x2-x1)
  =y1x2-y2x1 5(y2-y1)4(x2-x1),
  设AB:y=k1(x 2),∴y1=k1(x1 2)
  y2=k1(x2 2),代入可得:
  k2=k1(x1 2)x2-k1(x2 2)x1 5(y2-y1)4(x2-x1)
  =2k1(x2-x1) 5(y2-y1)4(x2-x1)
  =12k1 54·y2-y1x2-x1=12k1 54k1=74k1,
  ∴k2k1=74.
  评注:本题要求证的是两个参数(k1,k2),故只需寻求它们之间的关系,即导出一个关于k1,k2关系式,便可求出定值.
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