高中數學,韋達定理和基本不等式結合求範圍,還需知這些否則會錯

2021-01-09 玉w頭說教育

原題

原題:在平面直角坐標系xOy中,

①已知點A(√3,0),直線L:x=4√3/3,動點P滿足到點A的距離與到直線L的距離之比為√3/2.

②已知圓C的方程為x^2+y^2=4,直線L為圓C的切線,記點A(√3,0),B(-√3,0)到直線L的距離分別為d1,d2,動點P滿足|PA|=d1,|PB|=d2.

③點S,T分別在x軸上,y 軸上運動,且|ST|=3,動點P滿足向量OP=2/3向量OS+1/3向量OT。

⑴在①,②,③這三個條件中任選一個,求動點P的軌跡方程;

註:如果選項多個條件分別解答,按第一個解答計分。

⑵記⑴中的軌跡為E,經過點D(1,0)的直線L'交E於M,N兩點,若線段MN的垂直平分線與y軸相交於點Q,求點Q縱坐標的取值範圍。

圖一

這道題的第一問時比較簡單的,只要在考試中在①,②,③選擇一個你會的解答出該P點的軌跡即可。

但是在平時做題的過程中,我們是需要這三個①,②,③均會的,這就有點難度了。

這道題的第二問思路也不難,但是這裡需要我們注意的點很多,否則會出現很多的錯誤,使該得分的題就這樣失之交臂。

下面我們就在解題的過程中分別說明,在題中需要注意的事項。

第一問

第一問分別給出三個條件,接下來我們要分別說明每個條件的解法。

①該題只需要按照給出的已知列出方程即可。

設P(x,y),因為A(√3,0),根據兩點間距離公式有PA=√[(x-√3)^2+y^2],又因為點P到直線L:x=4√3/3,所以點P到直線L的距離為d=|x-4√3/3|。

因為動點P滿足到點A的距離與到直線L的距離之比為√3/2,所以有PA/d=√[(x-√3)^2+y^2]/|x-4√3/3|=√3/2,整理得到x^2/4+y^2=1,所以動點P的軌跡方程為x^2/4+y^2=1。

②該題只需要求出d1+d2是一個定值,且滿足點P到點A的距離加上點P到點B的距離大於AB之間的距離,且P點是動點,則該P點滿足橢圓定義,根據橢圓定義就可得出該P點的軌跡方程。

圖二

因為直線L為圓C的切線,記點A(√3,0),B(-√3,0)到直線L的距離分別為d1,d2,設點B到直線L的距離為BB1,點A到直線L的距離為AA1,圓心C到直線L的距離為CC1,則有AA1=d1,BB1=d2,CC1=R(R是圓C的半徑)。因為圓心的方程為x^2+y^2=4,所以圓C的半徑為2,即CC1=2.

根據AA1,BB1,CC1都是到直線L的距離,即它們都是與直線L垂直的,即這三條直線平行。

因為A點和B點關於C點對稱,所以CC1是直角梯形AA1B1B的中線,所以有AA1+BB1=2CC1=4,即d1+d2=4。

又因為動點P滿足|PA|=d1,|PB|=d2,所以|PA|+|PB|=4>|AB|=2√3,所以點P的軌跡符合橢圓的定義,則有2a=4,a=2,c=√3。

根據橢圓方程參數的關係有a^2=b^2+c^2,所以b=1,所以該P點的軌跡方程為x^2/4+y^2=1.

③是點S,T分別在x軸上,y 軸上運動,且|ST|=3,動點P滿足向量OP=2/3向量OS+1/3向量OT,求P點的軌跡方程。

因為點S,T分別在x軸上,y 軸上運動,所以可以設S(m,0),T(0,n),則有|ST|=√(m^2+n^2),又因為|ST|=3,則有√(m^2+n^2)=3,所以m^2+n^2=9。

設P(x,y),所以向量OP=(x,y),且有向量OS=(m,0),OT=(0,n)因為動點P滿足向量OP=2/3向量OS+1/3向量OT,所以(x,y)=(2m/3,0)+(0,n/3)=(2m/3,n/3),所以有x=2m/3,y=n/3,得到m=3x/2,n=3y。

將m=3x/2,n=3y代入m^2+n^2=9中,則有x^2/4+y^2=1。

第二問

第二問是根據第一問求出的P點的軌跡,與過定點的直線L'相交於M,N兩點 ,求過線段MN的垂直平分線與y軸交點Q的縱坐標的取值範圍?

這裡需要注意的是直線MN有兩種情況,即直線MN與x軸垂直的情況和直線MN與x軸不垂直的情況,即直線MN斜率存在與不存在兩種。

如果沒有考慮直線MN斜率不存在的情況,是要扣分的。

第一步,說明當直線MN斜率不存在時,Q點縱坐標的值。

當直線MN與x軸垂直時,此時線段MN的垂直平分線是y軸,所以此時Q點的縱坐標為0。

第二步,直線MN的斜率存在時,Q點的縱坐標。

圖三

設直線MN的斜率為k,且該直線過點D(1,0),所以直線MN的方程為y=k(x-1)。

因為點P的軌跡是一個橢圓E:x^2/4+y^2=1,則直線MN與橢圓E聯立方程有(1+4k^2)x^2-8k^2x+4(k^2-1)=0,判別式△=48k^2+16>0恆成立。

設M(x1,y1),N(x2,y2),根據韋達定理有x1+x2=8k^2/(1+4k^2)。

設線段MN的中點為G(x3,y3),則x3=(x1+x2)/2=4k^2/(1+4k^2),y3=k(x3-1)=-k/(1+4k^2)。

因為MN的垂直平分線的斜率與直線MN互為負倒數,且過線段MN的中點,所以線段MN的垂直平分線的方程為y+k/(1+4k^2)=-1/k[x-4k^2/(1+4k^2)]。

因為Q點在y軸上,設Q(0,y0),所以令x=0,則有y0=3k/(1+4k^2)=3/(1/k+4k)。

此時要想求出Q點縱坐標y0的取值範圍,需要結合基本不等式。

但是這裡需要注意的是這裡使用的基本不等式的條件,即1/k和4k都應該是大於0的數,而這裡的k的值可能是大於0,也可能是小於0的數,所以這裡還需要分別說明k的情況,且確保使用這個基本不等式的正確性。

當k>0時,根據基本不等式有1/k+4k≥2√(1/k×4k)=4,若且唯若1/k=4k,即k=1/2時該不等式的等號成立。

所以0<1/(1/k+4k)≤1/4,所以0<3/(1/k+4k)≤3/4,即y0=3/(1/k+4k)的範圍為(0,3/4]。

當k<0時,則-1/k>0,-4k>0,所以-1/k-4k≥2√[(-1/k)×(-4k)]=4,若且唯若-1/k=-4k,即k=-1/2時該不等式等號成立,所以1/k+4k≤-4,所以y0=3/(1/k+4k)的取值範圍為[-3/4,0)。

綜上兩步得到y0的取值範圍為[-3/4,3/4]。

總結

該題的第二問,需要注意的是:

第一,要分別說明直線MN斜率的存在和不存在的情況;

第二,要注意使用基本不等式的條件,即在使用基本不等式a/b+b/a≥2時,a/b或者是b/a都應該是正數,否則不成立;

第三就是使用基本不等式時,要注意等號能否取到時的條件,否則是不正確的。

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