• 直线和圆锥曲线的位置关系


    前言

    圆锥曲线一般指椭圆、双曲线、抛物线;但由于圆和椭圆有近亲关系,都是封闭曲线,且椭圆的两个焦点合二为一时,椭圆就变成了圆;双曲线和抛物线都是非封闭曲线,这两个和前两个的区别就挺大了。

    基础知识

    • 直线(l)和圆锥曲线(C)的位置关系

    1、从几何角度看,直线(l)和圆锥曲线(C)的位置关系可以分为三类:①无公共点;②仅有一个公共点;③有两个相异的公共点;

    2、从数的角度看,可以通过代入法用代数的方法求解判断。通常是将直线(l)的方程(Ax+By+C=0) ((A^2+B^2 eq 0),或者说(A)(B)不同时为(0)),代入圆锥曲线(C)的方程(F(x,y)=0)中,消去(y)(或者(x))得到一个关于变量(x)(或者变量(y))的一元方程(仿二次方程),即由(left{egin{array}{l}{Ax+By+C=0}\{F(x,y)=0}end{array} ight.),消去(y)得到(ax^2+bx+c=0)

    (1)当(a eq 0)时,设一元二次方程(ax^2+bx+c=0)的判别式为(Delta),则有

    (Delta >0) (Leftrightarrow) 直线(l)与圆锥曲线(C)相交于不同的两点;

    (Delta =0) (Leftrightarrow) 直线(l)与圆锥曲线(C)相切;

    (Delta <0) (Leftrightarrow) 直线(l)与圆锥曲线(C)相离,无公共点;

    (2)当(a=0)(b eq 0)时,即得到一个一次方程,则直线(l)与圆锥曲线相交,且只有一个交点;此时

    (C)为双曲线,则直线(l)与双曲线(C)的渐近线的位置关系是平行;

    (C)为抛物线,则直线(l)与抛物线(C)的对称轴的位置关系是平行或者重合;

    典例剖析

    例1【教材改编】曲线(x^2+lambda y^2=1(lambda eq 0))恒过定点_________。((pm 1,0))

    法1:从数的角度思考分析,类比(y=kx+1)恒过定点((0,1))的方法思路,令(y=0),得到(x^2=1),故上述曲线恒过定点((pm 1,0));

    法2:从形的角度思考分析,变形得到(cfrac{x^2}{1}+cfrac{y^2}{frac{1}{lambda}}=1),用动态的观点思考,当(lambda)变化时,椭圆或者双曲线与(x)轴的交点坐标((-1,0))((1,0))始终不变,故曲线恒过定点((pm 1,0));

    例2【教材改编】过点((4,0))的直线交抛物线(y^2=4x)(A)(B)两点,(O)为坐标原点,则(angle AOB)的值等于___________。(cfrac{pi}{2})

    法1:常规方法求解,(angle AOB=cfrac{pi}{2})

    法2:特殊化策略思考,当我们将直线由一般的有斜率的情形特殊化为无斜率的情形时,应该没有改变题目中的已知条件,故可以思考用特殊化策略,此时能轻松得到(angle AOB=cfrac{pi}{2})

    例3【教材改编】点(M(x,y))在椭圆(cfrac{x^2}{5}+y^2=1)上,则(x+y)的取值范围为___________。([-sqrt{6},sqrt{6}]);

    分析:椭圆上任意一点的坐标的参数方程为((sqrt{5}cos heta,sin heta))( hetain [0,2pi))

    (x+y=sqrt{5}cos heta+sin heta=sqrt{6}sin( heta+phi)),故(x+yin [-sqrt{6},sqrt{6}]);

    解后反思:椭圆的参数方程的优越性;变量集中;三角函数;求值域中的三角换元;知一求二类[((sinx+cosx)(sinx-cosx)(sinxcdot cosx))(奇偶性,周期性,对称性)]

    例4【教材改编】直线(y=kx-k+1)与椭圆(cfrac{x^2}{9}+cfrac{y^2}{4}=1)的位置关系为【】

    $A.相交$ $B.相切$ $C.相离$ $D.不确定$

    法一:从数的角度思考,常规方法,将直线(y=kx-k+1)代入椭圆(cfrac{x^2}{9}+cfrac{y^2}{4}=1)中,[注意运算技巧]

    化简整理为((9k^2+4)x^2+18k(1-k)x+9(1-k^2)=0)(Delta =cdots=1152k^2+288k+4 imes 108>0)

    则直线和椭圆相交,故选(A)

    法2:从形的角度思考,将直线变形为(y-1=k(x-1)),则可知其恒过定点((1,1))

    ((1,1))代入(cfrac{x^2}{9}+cfrac{y^2}{4}),得到(cfrac{1^2}{9}+cfrac{1^2}{4}<1),即点((1,1))在椭圆内,

    则直线和椭圆必然相交,故选(A)

    相关阅读: 1、曲线或函数恒过定点

    例5【教材改编】点(M)在椭圆(cfrac{x^2}{4}+cfrac{y^2}{3}=1)(F_1)(F_2)为其焦点,则(angle F_1MF_2)的最大值为________。

    分析:特殊化策略,当点(M)位于椭圆的上下顶点位置时,(angle F_1MF_2)最大,最大值为(cfrac{pi}{3})

    • 直线与曲线交于一点的误区:

    例6【教材改编】过点((0,1))作直线,使它与抛物线(y^2=4x)仅有一个公共点,这样的直线有_________条。

    分析:如图所示,过点((0,1))做直线,和抛物线仅有一个公共点时,这样的直线有切线和非切线两种情形:

    当为切线时,其一为直线(x=0),此时直线无斜率;其二为(y=kx+1),设切点为((x_0,y_0)),则

    (left{egin{array}{l}{y_0=kx_0+1}\{y_0^2=4x_0}\{k=frac{1}{sqrt{x_0}}}end{array} ight.),解得(x_0=cfrac{1}{2})(y_0=sqrt{2})(k=2(sqrt{2}-1))

    故另一条切线为(y=(2sqrt{2}-1)x+1)

    当为非切线时,直线为(y=1),故这样的直线分别为(x=0)(y=1)(y=(2sqrt{2}-1)x+1)

    例7【教材改编】直线(y=-cfrac{3}{2}x+2)与双曲线(cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{9}=1)有_______个交点;

    分析:由于直线和渐近线平行,故只能有一个交点。

    例8直线(y=kx+m)与椭圆(cfrac{x^2}{2}+cfrac{y^2}{3}=1)只有一个公共点,则(k)(m)的关系式为__________。(m^2=2k^2+3)

    法1:判别式法,利用(Delta=0),得到(m^2=2k^2+3)

    法2:平行线法。

    例9设抛物线(C:y^2=3x)的焦点,过(F)且倾斜角为(30^{circ})的直线交(C)(A)(B)两点,则(|AB|)等于【】

    $A.cfrac{sqrt{30}}{3}$ $B.6$ $C.12$ $D.7sqrt{3}$

    【法1】:常规方法,利用两点间距离公式,由于(2p=3),则(cfrac{p}{2}=cfrac{3}{4}),故焦点(F(cfrac{3}{4},0)),又斜率为(k=cfrac{sqrt{3}}{3})

    则直线(AB)的方程为(y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4}))

    联立直线(AB)和抛物线方程,得到(left{egin{array}{l}{y^2=3x}\{y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4})}end{array} ight.)

    (y)得到(16x^2-24 imes7x+9=0),设点(A(x_1,y_1)),点(B(x_2,y_2))

    (x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})(x_1x_2=cfrac{9}{16})

    (|AB|=sqrt{1+k^2}cdot |x_1-x_2|)

    (=sqrt{1+k^2}cdotsqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}=12)

    【法2】:利用直线(AB)的参数方程的参数的几何意义,

    直线(AB)的参数方程为(egin{cases}x=cfrac{3}{4}+cfrac{sqrt{3}}{2}t\y=0+cfrac{1}{2}tend{cases}(t为参数)),将其代入(y^2=3x)中,

    整理得到(t^2-6sqrt{3}t-9=0),设(A)(B)对应的参数分别为(t_1)(t_2)

    (Delta>0),且有(t_1+t_2=6sqrt{3})(t_1t_2=-9)

    (|AB|=|t_1-t_2|=sqrt{(t_1+t_2)^2-4t_1t_2}=sqrt{36 imes3-4 imes(-9)}=12)

    【法3】:利用抛物线的定义可知,(|AB|=|AF|+|BF|=|AN|+|BO|=x_1+cfrac{p}{2}+x_2+cfrac{p}{2}=x_1+x_2+p)

    故由法1中,得到(x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})(p=cfrac{3}{2}),即(|AB|=x_1+x_2+p=12)

    法4:利用抛物线的焦点弦长公式:(|AB|=frac{2p}{sin^2alpha}),则(|AB|=cfrac{2 imes frac{3}{2}}{(frac{1}{2})^2}=12)

    例10已知抛物线的方程为(y^2=4x),直线(l)过定点(P(-2,1)),斜率为(k),当(k)为何值时,直线(l)与抛物线(y^2=4x)只有一个公共点,有两个公共点,没有公共点?

    分析:由题意可知,直线(l)的方程为(y-1=k(x+2))

    由方程组(left{egin{array}{l}{y-1=k(x+2)}\{y^2=4x}end{array} ight.)(*)

    消去(x)得到,(ky^2-4y+4(2k+1)=0)① [注意,此为仿二次方程]

    (k=0)时,由方程①可得(y=1),代入(y^2=4x),得到(x=cfrac{1}{4}),即此时直线和抛物线只有一个公共点((cfrac{1}{4},1)),二者位置关系为相交;

    (k eq 0)时,方程①的判别式为(Delta=-16(2k^2+k-1))

    (Delta=0),即(2k^2+k-1=0),解得(k=-1)(k=cfrac{1}{2}),此时方程①只有一个解,则方程组(*)也只有一个解,则直线和抛物线只有一个公共点,二者位置关系为相切;

    (Delta>0),即(2k^2+k-1<0),解得(-1<k<cfrac{1}{2}),于是当(-1<k<cfrac{1}{2})(k eq 0)时,方程①有两个解,则方程组(*)也有两个解,则直线和抛物线有两个公共点,此时二者位置关系为相交;

    (Delta<0),即(2k^2+k-1>0),解得(k<-1)(k>cfrac{1}{2}),于是当(k<-1)(k>cfrac{1}{2})时,方程①没有实数解,则方程组(*)没有实数解,则直线和抛物线没有公共点,此时二者位置关系为相离;

    综上所述,当(k=-1)(k=cfrac{1}{2})(k=0)时,直线和抛物线只有一个公共点;

    (-1<k<cfrac{1}{2})(k eq 0)时,则直线和抛物线有两个公共点;

    (k<-1)(k>cfrac{1}{2})时,则直线和抛物线没有公共点;

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