刊名: 课程·教材·教法
Curriculum, Teaching Material and Method
主办: 人民教育出版社 课程教材研究所
周期: 月刊
出版地:北京
语种: 中文
开本: 大16K
ISSN: 1000-0186
CN: 11-1278/G4
历史沿革:
1981年创刊期刊荣誉:
国家新闻出版总署收录 ASPT来源刊
中国期刊网来源刊
2011年度核心期刊,国家新闻出版总署收录 ASPT来源刊,中国期刊网来源刊,百种重点期刊,社科双百期刊,首届全国优秀社科期刊。
圆锥曲线中不等关系的建立策略
【作者】 郭远明
【机构】 福建省南安市侨光中学
【正文】 在有关以解析几何为载体的圆锥曲线的参数范围问题、最值问题、存在性等问题中,求解参变量的范围问题,是圆锥曲线中一类常见的题型, 这类问题将几何、函数、不等式等知识点有机地结合在一起,涉及的知识范围广、条件隐含深、运算难度大、能力要求高,综合考查学生分析、应用综合知识解决问题的能力,不少学生对这类问题处理感到困难,不知要从何入手,其实其入口的途径,均是一个不等关系,而解决这类问题的核心是根据题意构造不等关系。 如何合理构建不等式是关键,为此,本文介绍不等关系构建的几种方法与技巧,供参考。
一、利用直线与曲线有两个交点,二次方程有两个不同的解,判别式要大于0,建立不等关系
例1.过点B(2,0)的直线l(斜率不等于零)与椭圆C:■+y2=1交于不同的两点E、F(E在B、F之间),试求△OBE与△OBF面积之比的取值范围。
解:如图,由题意知直线的斜率存在且不为零,设l方程为:y=k(x-2)(k≠0)①,
将①代入■+y2=1中,整理得:(2k2+1)y2+4ky+2k2=0,
因为直线l与轨迹C有两个不同的交点,所以△>0,
由△>0,及k≠0得:0<k2<■. 设E(x1,y1),F(x2,y1)
则y1+y2=-■,y1y2=■② ,令■=λ,
则■|OB||y1|=■|OB||y2|λ,又y1y2>0,所以y1=λy2③,
由②③消去y1,y2得:■=■,又0<k2<■,所以4<■<8
结合0<λ<1,解得:3-2■<λ<1,所以△OBE与△OBF面积之比的取值范围是:(3-2■,1).
点评:因直线EF与椭圆C有两个不同的交点,所以△>0,由此解得k的取值范围,再由k的取值范围,建立λ的不等关系式,解此不等式,可得λ的取值范围,从而解决问题.
二、利用点与曲线的位置关系,建立不等关系
当点P(x0,y0)在曲线上运动时,则点P的横(纵)坐标就有范围的限制,如点P(x0,y0)在椭圆上,就有:-a≤x0≤a,(-b≤y0≤b),于是可利用点P的横(纵)坐标的取值范围,建立目标参数(式子)的不等关系,从而解决问题.因此在例1中的第二步,就有以下的解法:
解法2:设E(x1,y1) , F(x2,y2),■=λ■,(0<λ<1)则
y1=λy2①,x1-2=λ(x2-2)②,又x12+2y12=2③,x22+2y22=2④,
由③-λ2④得:x12-λ2x22+2(y12-λ2y22)=2(1-λ)2
结合①②化简得:x1+λx2=1+λ⑤,由②⑤得:2x1=3-λ ,
∵|x1|<■,
∴|3-λ|<2■,又0<λ<1,解得:3-2■<λ<1,所以△OBE与△OBF面积之比的取值范围是:(3-2■,1).
点评:点E在椭圆上,就有-■<x1<■,由此建立关于参数式子的不等关系为:|3-λ|<■2,
解此不等式,可得λ的取值范围,从而解决问题.
三、利用三角形中的边角性质关系,建立不等关系
利用平面几何知识,充分挖掘几何条件,利用平面几何中的有关知识建立不等关系,如不同的三个点在曲线上时,就可利用三角形中任意两边之和大于第三边,任意两边之差小于第三边,建立不等关系
例2. 已知双曲线C:■-■=1(a>0,b>0)的两个焦点为F1,F2,若P为双曲线C上一点,且|PF1|=2|PF2|,求双曲线C离心率的取值范围.
解: 由|PF1|-|PF2|=2a,|PF1|=2|PF2|得:|PF1|=4a,|PF2|=2a
又|PF1|+|PF2|≥|F1F2|=2c,所以6a≥2c,3≥■=e,又e>1,所以1<e≤3
点评:利用△PF1F2的三边,建立|PF1|+|PF2|≥|F1F2|不等关系;也可挖掘双曲线的图象性质,建立|PF2|≥|F2Q|,即2a≥c-a不等关系;也可利用点P(x0,y0)的横坐标建立x0≥a,即x0=■≥a不等关系.都可以解决问题.
四、利用圆中有关性质,建立不等关系
利用点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为锐角,于是■·■>0,建立不等关系式;同理点O在以AB为直径的圆内,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为钝角,于是■-·■<0,建立不等关系式.
例3.设F1、F2分别是椭圆■+y2=1的左、右焦点.
(Ⅰ)若P是该椭圆上的一个动点,求■·■的最大值和最小值;
(Ⅱ)设过定点M(0,2)的直线l与椭圆交于不同的两点A、B,且点在O以为AB直径的圆外(其中O为坐标原点),求直线l的斜率k的取值范围.
解:(Ⅰ)易知a=2,b=1,c=■,所以F1(-■,0),F2(■,0)设P(x,y),则■·■=(-■-x,-y),(■-x,-y)=x2+y2-3=x2+1-■-3=■(3x2-8)
因为x∈[-2,2],故当x=0时,即点P为椭圆短轴端点时,■·■有最小值-2
当x=±2,即点P为椭圆长轴端点时,■·■有最大值1
(Ⅱ)显然直线x=0不满足题设条件,可设直线l:y=kx-2,A(x1,y2),B(x2,y2)
将y=kx-2代入椭圆中,消去y,整理得:(4k2+1)x2+16kx+12=0
由△>0,得:k< ■,或k>- ■① ,且 x1+x2=■,x1x2=■
因为点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,所以∠AOB为锐角,所以
cos∠AOB>0→,∴■·■=x1x2+y1y2>0
又y1y2=(kx1+2)(kx2+2)=k2x1x2+2k(x1+x2)+4=■
所以■+■>0,即k2<4 , ∴-2<k<2②
故由①、②得-2<k<-■,或■<k<2,故所求k的范围是:-2<k<-■,或■<k<2
点评:在问题(Ⅰ)中,利用利用点P(x0,y0)的横坐标的范围建立不等关系. 在问题(Ⅱ)中,
利用点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,所以∠AOB为锐角,于是■·■>0,建立不等关系式;同理点O在以AB为直径的圆内,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为钝角,于是■·■<0,建立不等关系式.
五、利用基本不等式,建立不等关系
当所涉及的参变量出现有关参变量式子的积或和为定值时,可考虑利用基本不等式,建立不等关系
例4.已知椭圆C:■+y2=1,内接矩形ABCD,求矩形ABCD的面积的最大值。
解:不妨设点A(x0,y0)(x0>0,y0>0)位于第一象限,则矩形ABCD的面积S=4x0·y0,
因为点A(x0,y0)在椭圆C:■+y2=1上,所以1=■y02≥2■=x0,y0,所以S=4x0·y0≤4,当且仅当■+y02=1,■=y02,即x0=■,y0=■时取等号,所以矩形ABCD的面积的最大值为4
点评:利用基本不等式,建立目标式子x0y0的不等关系,从而解决了问题.
以上总结了几种圆锥曲线不等关系的建立策略,它们的形式各异,各有千秋,但均揭示了问题的本质,抓住了问题的要害,对于具体试题,要结合具体情况,合理选择适当的方法.
一、利用直线与曲线有两个交点,二次方程有两个不同的解,判别式要大于0,建立不等关系
例1.过点B(2,0)的直线l(斜率不等于零)与椭圆C:■+y2=1交于不同的两点E、F(E在B、F之间),试求△OBE与△OBF面积之比的取值范围。
解:如图,由题意知直线的斜率存在且不为零,设l方程为:y=k(x-2)(k≠0)①,
将①代入■+y2=1中,整理得:(2k2+1)y2+4ky+2k2=0,
因为直线l与轨迹C有两个不同的交点,所以△>0,
由△>0,及k≠0得:0<k2<■. 设E(x1,y1),F(x2,y1)
则y1+y2=-■,y1y2=■② ,令■=λ,
则■|OB||y1|=■|OB||y2|λ,又y1y2>0,所以y1=λy2③,
由②③消去y1,y2得:■=■,又0<k2<■,所以4<■<8
结合0<λ<1,解得:3-2■<λ<1,所以△OBE与△OBF面积之比的取值范围是:(3-2■,1).
点评:因直线EF与椭圆C有两个不同的交点,所以△>0,由此解得k的取值范围,再由k的取值范围,建立λ的不等关系式,解此不等式,可得λ的取值范围,从而解决问题.
二、利用点与曲线的位置关系,建立不等关系
当点P(x0,y0)在曲线上运动时,则点P的横(纵)坐标就有范围的限制,如点P(x0,y0)在椭圆上,就有:-a≤x0≤a,(-b≤y0≤b),于是可利用点P的横(纵)坐标的取值范围,建立目标参数(式子)的不等关系,从而解决问题.因此在例1中的第二步,就有以下的解法:
解法2:设E(x1,y1) , F(x2,y2),■=λ■,(0<λ<1)则
y1=λy2①,x1-2=λ(x2-2)②,又x12+2y12=2③,x22+2y22=2④,
由③-λ2④得:x12-λ2x22+2(y12-λ2y22)=2(1-λ)2
结合①②化简得:x1+λx2=1+λ⑤,由②⑤得:2x1=3-λ ,
∵|x1|<■,
∴|3-λ|<2■,又0<λ<1,解得:3-2■<λ<1,所以△OBE与△OBF面积之比的取值范围是:(3-2■,1).
点评:点E在椭圆上,就有-■<x1<■,由此建立关于参数式子的不等关系为:|3-λ|<■2,
解此不等式,可得λ的取值范围,从而解决问题.
三、利用三角形中的边角性质关系,建立不等关系
利用平面几何知识,充分挖掘几何条件,利用平面几何中的有关知识建立不等关系,如不同的三个点在曲线上时,就可利用三角形中任意两边之和大于第三边,任意两边之差小于第三边,建立不等关系
例2. 已知双曲线C:■-■=1(a>0,b>0)的两个焦点为F1,F2,若P为双曲线C上一点,且|PF1|=2|PF2|,求双曲线C离心率的取值范围.
解: 由|PF1|-|PF2|=2a,|PF1|=2|PF2|得:|PF1|=4a,|PF2|=2a
又|PF1|+|PF2|≥|F1F2|=2c,所以6a≥2c,3≥■=e,又e>1,所以1<e≤3
点评:利用△PF1F2的三边,建立|PF1|+|PF2|≥|F1F2|不等关系;也可挖掘双曲线的图象性质,建立|PF2|≥|F2Q|,即2a≥c-a不等关系;也可利用点P(x0,y0)的横坐标建立x0≥a,即x0=■≥a不等关系.都可以解决问题.
四、利用圆中有关性质,建立不等关系
利用点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为锐角,于是■·■>0,建立不等关系式;同理点O在以AB为直径的圆内,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为钝角,于是■-·■<0,建立不等关系式.
例3.设F1、F2分别是椭圆■+y2=1的左、右焦点.
(Ⅰ)若P是该椭圆上的一个动点,求■·■的最大值和最小值;
(Ⅱ)设过定点M(0,2)的直线l与椭圆交于不同的两点A、B,且点在O以为AB直径的圆外(其中O为坐标原点),求直线l的斜率k的取值范围.
解:(Ⅰ)易知a=2,b=1,c=■,所以F1(-■,0),F2(■,0)设P(x,y),则■·■=(-■-x,-y),(■-x,-y)=x2+y2-3=x2+1-■-3=■(3x2-8)
因为x∈[-2,2],故当x=0时,即点P为椭圆短轴端点时,■·■有最小值-2
当x=±2,即点P为椭圆长轴端点时,■·■有最大值1
(Ⅱ)显然直线x=0不满足题设条件,可设直线l:y=kx-2,A(x1,y2),B(x2,y2)
将y=kx-2代入椭圆中,消去y,整理得:(4k2+1)x2+16kx+12=0
由△>0,得:k< ■,或k>- ■① ,且 x1+x2=■,x1x2=■
因为点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,所以∠AOB为锐角,所以
cos∠AOB>0→,∴■·■=x1x2+y1y2>0
又y1y2=(kx1+2)(kx2+2)=k2x1x2+2k(x1+x2)+4=■
所以■+■>0,即k2<4 , ∴-2<k<2②
故由①、②得-2<k<-■,或■<k<2,故所求k的范围是:-2<k<-■,或■<k<2
点评:在问题(Ⅰ)中,利用利用点P(x0,y0)的横坐标的范围建立不等关系. 在问题(Ⅱ)中,
利用点O在以AB为直径的圆外,且A,B,O三点不共线,所以∠AOB为锐角,于是■·■>0,建立不等关系式;同理点O在以AB为直径的圆内,且A,B,O三点不共线,则∠AOB为钝角,于是■·■<0,建立不等关系式.
五、利用基本不等式,建立不等关系
当所涉及的参变量出现有关参变量式子的积或和为定值时,可考虑利用基本不等式,建立不等关系
例4.已知椭圆C:■+y2=1,内接矩形ABCD,求矩形ABCD的面积的最大值。
解:不妨设点A(x0,y0)(x0>0,y0>0)位于第一象限,则矩形ABCD的面积S=4x0·y0,
因为点A(x0,y0)在椭圆C:■+y2=1上,所以1=■y02≥2■=x0,y0,所以S=4x0·y0≤4,当且仅当■+y02=1,■=y02,即x0=■,y0=■时取等号,所以矩形ABCD的面积的最大值为4
点评:利用基本不等式,建立目标式子x0y0的不等关系,从而解决了问题.
以上总结了几种圆锥曲线不等关系的建立策略,它们的形式各异,各有千秋,但均揭示了问题的本质,抓住了问题的要害,对于具体试题,要结合具体情况,合理选择适当的方法.


