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例析解析幾何中優(yōu)化運(yùn)算的策略

2025-01-22 00:00:00任軍濤
關(guān)鍵詞:雙曲線數(shù)形橢圓

作為歷屆高考中主干知識點(diǎn)之一的解析幾何試題,經(jīng)常出現(xiàn)在各種題型中的壓軸題位置,知識綜合性強(qiáng),數(shù)學(xué)運(yùn)算量大.因而,合理優(yōu)化數(shù)學(xué)運(yùn)算,全面簡化解題過程,成為解答解析幾何問題的一個(gè)重要目標(biāo).在實(shí)際解答解析幾何問題時(shí),合理掌握一些優(yōu)化運(yùn)算的策略,可提升解題效益,達(dá)到事半功倍的效果.

1 回歸定義,以逸待勞

例1 (2023年江蘇省南京市高考數(shù)學(xué)二模試卷)已知橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0),F(xiàn)為其左焦點(diǎn),直線y=kx(k>0)與橢圓C交于點(diǎn)A,B,且AF⊥AB.若∠ABF=30°,則橢圓C的離心率為(" ).

A.73

B.63

C.76

D.66

解析:如圖1所示,設(shè)橢圓的右焦點(diǎn)為F2,連接AF2,BF2,則四邊形AFBF2為平行四邊形.設(shè)|AF|=m.由于AF⊥AB,

∠ABF=30°,則|FB|=2m,|BF2|=|AF|=m.

結(jié)合橢圓的定義,有|BF|+|BF2|=2m+m=2a,所以m=23a.

在△BFF2中,(2c)2=43a2+23a2-2×43a×23a×cos 120°,整理得4c2=289a2,解得c=73a,所以e=ca=73.故選擇答案:A.

點(diǎn)評:熟練理解并掌握圓錐曲線的定義是解決一些相關(guān)解析幾何問題的基礎(chǔ).挖掘內(nèi)涵,回歸定義,直接揭示問題的本質(zhì)屬性,利用定義,構(gòu)建曲線與方程、代數(shù)式與參數(shù)等之間的關(guān)系,為深入分析與解決解析幾何問題奠定條件,化繁為簡,直達(dá)目的.

2 動(dòng)靜結(jié)合,特殊思維

例2 (湖北省部分學(xué)校2024屆高三上學(xué)期8月起點(diǎn)考試數(shù)學(xué)試題)已知直線l與雙曲線C:x2a2-y2b2=1(agt;0,bgt;0)相切于點(diǎn)P,且l與C的兩條漸近線l1,l2分別交于M(x1,y1),N(x2,y2)兩點(diǎn),則x1x2+y1y2=(用含a,b的式子表示).

解析:根據(jù)題設(shè)條件,所求代數(shù)式x1x2+y1y2與常數(shù)a,b有關(guān),利用特殊值法,取特殊點(diǎn)P(a,0),此時(shí)對應(yīng)的切線l的方程為x=a.

其與雙曲線C的兩條漸近線l1:y=bax,l2:y=-bax的交點(diǎn)分別為(a,b),(a,-b),則有x1x2=a2,y1y2=-b2,所以x1x2+y1y2=a2-b2.

故填答案:a2-b2.

點(diǎn)評:特殊值思維的策略,是解決此類與“動(dòng)點(diǎn)”有關(guān)的“定值”問題時(shí),追求簡捷快速處理數(shù)學(xué)客觀題的一種基本思維方式和理想方法,是一種巧技妙法,也是通性通法的升華,但也有其特殊性與缺陷性,不具備普遍性.

3 設(shè)而不求,金蟬脫殼

例3 〔2023年河北省石家莊市高考數(shù)學(xué)質(zhì)檢試卷(一)〕已知雙曲線C:x2a2-y2b2=1(a>0,b>0),過原點(diǎn)O的直線交C于A,B兩點(diǎn)(點(diǎn)B在右支上),雙曲線右支上一點(diǎn)P(異于點(diǎn)B)滿足BA·BP=0,直線PA交x軸于點(diǎn)D,若∠ADO=∠AOD,則雙曲線C的離心率為(" ).

A.2

B.2

C.3

D.3

解析:由題意,設(shè)A(-x0,-y0),B(x0,y0)(x0>0),P(x1,y1),則x20a2-y02b2=1,x21a2-y12b2=1,兩式相減得x20-x21a2=y02-y12b2,所以(x0+x1)(x0-x1)(y0+y1)(y0-y1)=a2b2.

又kAP=y0+y1x0+x1,kBP=y0-y1x0-x1,所以kAPkBP=b2a2.

因?yàn)锽A·BP=0,所以BA⊥BP.

于是kAP=tan(π-∠ADO),kBP=tanπ2+∠AOD,所以tan(π-∠ADO)·tanπ2+∠AOD=b2a2,則有-tan ∠ADO·-1tan ∠AOD=b2a2.因?yàn)椤螦DO=∠AOD,所以b2a2=1,即b2=a2,則c2=b2+a2=2a2,所以離心率e=ca=2.故選擇答案:A.

點(diǎn)評:抓住解析幾何問題的本質(zhì),合理引入?yún)?shù),采用“設(shè)而不求”法進(jìn)行整體代換處理,利用圓錐曲線的定義、向量的基本性質(zhì)、不等式的性質(zhì)、“點(diǎn)差法”及平面幾何知識等來突破,巧妙轉(zhuǎn)化,減少數(shù)學(xué)運(yùn)算,優(yōu)化解題過程,提升解題效益.

4 數(shù)形結(jié)合,偷梁換柱

例4 〔2024屆廣東省佛山市普通高中教學(xué)質(zhì)量檢測(一)高三數(shù)學(xué)試卷〕設(shè)A,B分別是曲線y=ex與圓(x-1)2+y2=1上的點(diǎn),則|AB|的最小值為.

解析:易知圓(x-1)2+y2=1的圓心為C(1,0),半徑為1,考慮圓(x-1)2+y2=r2與曲線y=ex相切于點(diǎn)A0(m,em)時(shí)的情形,此時(shí)兩曲線在點(diǎn)A0處的公切線為l,線段A0C與圓(x-1)2+y2=1交于點(diǎn)B,如圖2所示.

由y=ex,求導(dǎo)可得y′=ex,利用導(dǎo)數(shù)的幾何意義可知切線l的斜率k=em,由于A0C⊥l,結(jié)合直線的斜率公式可得em×em-0m-1=-1,整理有e2m=1-m.易知m=0是方程e2m=1-m的唯一實(shí)數(shù)解,則知A0(0,1),r=2.

結(jié)合圖形直觀可知|AB|的最小值為|A0B|=2-1.故填答案:2-1.

點(diǎn)評:作為數(shù)學(xué)中的重要數(shù)學(xué)思維方式,數(shù)形結(jié)合思維也成為解析幾何中優(yōu)化數(shù)學(xué)運(yùn)算的重要策略.借助數(shù)形結(jié)合法,將抽象的解析幾何問題直觀化,還原解析幾何中的幾何本質(zhì),建立平面幾何中點(diǎn)、線、角或曲線等元素之間的關(guān)系,數(shù)形結(jié)合,直觀形象.

5 和積轉(zhuǎn)換,韋達(dá)助算

例5 〔2023年河北省石家莊二中高三(下)月考數(shù)學(xué)試卷〕已知橢圓E:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn)分別為F1(-c,0),F(xiàn)2(c,0)(c>0),點(diǎn)M在E上,MF2⊥F1F2,△MF1F2的周長為6+42,面積為13c.

(1)求橢圓E的方程.

(2)設(shè)E的左、右頂點(diǎn)分別為A,B,過點(diǎn)32,0的直線l與E交于C,D兩點(diǎn),記直線AC的斜率為k1,直線BD的斜率為k2,判斷是否存在實(shí)常數(shù)λ,使得k1=λk2恒成立?若存在,求出λ的值;若不存在,請說明理由.

解析:(1)依題意,可得2a+2c=6+42,12×2c×b2a=13c,即a+c=3+22,b2a=13.

又a2=b2+c2,所以a2=9,b2=1.

所以,橢圓E的方程為x29+y2=1.

(2)設(shè)直線CD的方程為x=ty+32.由(1)易得A(-3,0),B(3,0).

由x29+y2=1,x=ty+32,得4(t2+9)y2+12ty-27=0,則Δ=144(4t2+27)>0.

設(shè)C(x1,y1),D(x2,y2),由韋達(dá)定理,可得y1+y2=-3tt2+9,y1y2=-274(t2+9),則ty1y2=94(y1+y2).

于是有k1k2=y1x1+3·x2-3y2=(x2-3)y1(x1+3)y2=ty2-32y1ty1+92y2=2ty1y2-3y12ty1y2+9y2=2×94(y1+y2)-3y12×94(y1+y2)+9y2=32y1+92y292y1+272y2=32(y1+3y2)92(y1+3y2)=13,故存在實(shí)數(shù)λ=13,使得k1=λk2恒成立.

點(diǎn)評:在解決一些涉及直線與圓錐曲線的位置關(guān)系的解析幾何問題時(shí),借助函數(shù)與方程思想來轉(zhuǎn)化,聯(lián)立直線與圓錐曲線的方程,利用韋達(dá)定理來合理助算,可以有效進(jìn)行對應(yīng)的和積關(guān)系式之間的轉(zhuǎn)化與變形等,巧妙恒等變形,優(yōu)化數(shù)學(xué)運(yùn)算.

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