数 学
H 单元 解析几何
H1 直线的倾斜角与斜率、直线的方程 6.,,[2014·福建卷] 已知直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心,且与直线x +y +1=0垂直,则l 的方程是( )
A .x +y -2=0
B .x -y =2=0
C .x +y -3=0
D .x -y +3=0
6.D [解析] 由直线l 与直线x +y +1=0垂直,可设直线l 的方程为x -y +m =0. 又直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心(0,3),则m =3,所以直线l 的方程为x -y +3=0,故选D.
20.、、[2014·全国新课标卷Ⅰ] 已知点P (2,2),圆C :x 2+y 2-8y =0,过点P 的动直线l 与圆C 交于A ,B 两点,线段AB 的中点为M ,O 为坐标原点.
(1)求M 的轨迹方程;
(2)当|OP |=|OM |时,求l 的方程及△POM 的面积. 20.解:(1)圆C 的方程可化为x 2+(y -4)2=16, 所以圆心为C (0,4),半径为4.
设M (x ,y ),则CM =(x ,y -4),MP =(2-x ,2-y ). 由题设知CM ·MP =0,故x (2-x )+(y -4)(2-y )=0,即(x -1)2+(y -3)2=2. 由于点P 在圆C 的内部,所以M 的轨迹方程是(x -1)2+(y -3)2=2.
(2)由(1)可知M 的轨迹是以点N (1,3)为圆心,2为半径的圆.
由于|OP |=|OM |,故O 在线段PM 的垂直平分线上,又P 在圆N 上,从而ON ⊥PM . 因为ON 的斜率为3,所以直线l 的斜率为-1
3,
故l 的方程为y =-13x +8
3
.
又|OM |=|OP |=2 2,O 到直线l 的距离为410
5
,
故|PM |=4105,所以△POM 的面积为16
5
.
21.、、、[2014·重庆卷] 如图1-5,设椭圆x 2a 2+y 2
b
2=1(a >b >0)的左、右焦点分别为F 1,
F 2,点D 在椭圆上,DF 1⊥F 1F 2,|F 1F 2||DF 1|=22,△DF 1F 2的面积为2
2
.
(1)求该椭圆的标准方程.
(2)是否存在圆心在y 轴上的圆,使圆在x 轴的上方与椭圆有两个交点,且圆在这两个交点处的两条切线相互垂直并分别过不同的焦点?若存在,求出圆的方程;若不存在,请说明理由.
21.解:(1)设F 1(-c ,0),F 2(c ,0),其中c 2
=a 2-b 2.
由
|F 1F 2|
|DF 1|
=2 2得|DF 1|=|F 1F 2|2 2=2
2
c .
从而S △DF 1F 2=12|DF 1||F 1F 2|=22c 2=2
2,故c =1.
从而|DF 1|=22.由DF 1⊥F 1F 2得|DF 2|2=|DF 1|2+|F 1F 2|2=92,因此|DF 2|=3 2
2
,
所以2a =|DF 1|+|DF 2|=2 2,故a =2,b 2=a 2-c 2=1.
因此,所求椭圆的标准方程为x 22
+y 2
=1.
(2)如图所示,设圆心在y 轴上的圆C 与椭圆x 22
+y 2
=1相交,P 1(x 1,y 1),P 2(x 2,y 2)是两
个交点,y 1>0,y 2>0,F 1P 1,F 2P 2是圆C 的切线,且F 1P 1⊥F 2P 2.由圆和椭圆的对称性,易知,x 2=-x 1,y 1=y 2.
由(1)知F 1(-1,0),F 2(1,0),所以F 1P 1=(x 1+1,y 1),F 2P 2→
=(-x 1-1,y 1).再由F 1P 1
⊥F 2P 2得-(x 1+1)2+y 2
1=0.
由椭圆方程得1-x 21
2=(x 1+1)2,即3x 21+4x 1=0,解得x 1=-43或x 1=0. 当x 1=0时,P 1,P 2重合,题设要求的圆不存在.
当x 1=-4
3
时,过P 1,P 2分别与F 1P 1,F 2P 2垂直的直线的交点即为圆心C .设C (0,y 0),
由CP 1⊥F 1P 1,得y 1-y 0x 1·y 1
x 1+1=-1.
而y 1=|x 1+1|=13,故y 0=5
3
.
圆C 的半径|CP 1|=????-432+????13-532=4 23
.
综上,存在满足题设条件的圆,其方程为
x 2+????y -532=329
.
H2 两直线的位置关系与点到直线的距离 6.,,[2014·福建卷] 已知直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心,且与直线x +y +1=0垂直,则l 的方程是( )
A .x +y -2=0
B .x -y =2=0
C .x +y -3=0
D .x -y +3=0
6.D [解析] 由直线l 与直线x +y +1=0垂直,可设直线l 的方程为x -y +m =0. 又直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心(0,3),则m =3,所以直线l 的方程为x -y +3=0,故选D.
18.、、、[2014·江苏卷] 如图1-6所示,为保护河上古桥OA ,规划建一座新桥BC ,同时设立一个圆形保护区.规划要求:新桥BC 与河岸AB 垂直;保护区的边界为圆心M 在线段
OA 上并与BC 相切的圆,且古桥两端O 和A 到该圆上任意一点的距离均不少于80 m .经测量,点A 位于点O 正北方向60 m 处,点C 位于点O 正东方向170 m 处(OC 为河岸),tan ∠BCO =4
3
.
(1)求新桥BC 的长.
(2)当OM 多长时,圆形保护区的面积最大?
图1-6
18.解: 方法一:
(1)如图所示, 以O 为坐标原点, OC 所在直线为 x 轴, 建立平面直角坐标系xOy .
由条件知A (0, 60), C (170,0),
直线 BC 的斜率k BC =-tan ∠BCO =-4
3.
又因为 AB ⊥BC, 所以直线AB 的斜率k AB =3
4.
设点 B 的坐标为(a ,b ),
则k BC =b -0a -170=-4
3, k AB =b -60a -0=34,
解得a =80, b =120,
所以BC =(170-80)2+(0-120)2=150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆M 的半径为r m, OM =d m (0≤d ≤60). 由条件知, 直线BC 的方程为y =-4
3
(x -170),
即4x +3y -680=0.
由于圆M 与直线BC 相切, 故点 M (0, d )到直线BC 的距离是r ,
即r =|3d - 680|42+32
=680-3d 5.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,所以?
????r -d ≥80,
r -(60-d )≥80,
即???680-3d
5
-d ≥80,680 - 3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5最大, 即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 方法二:
(1)如图所示, 延长 OA, CB 交于点F .
因为 tan ∠FCO =4
3
,
所以sin ∠FCO =45, cos ∠FCO =3
5.
因为OA =60,OC =170,
所以OF =OC tan ∠FCO =6803, CF =OC cos ∠FCO =8503, 从而AF =OF -OA =500
3.
因为OA ⊥OC, 所以cos ∠AFB =sin ∠FCO =4
5
.
又因为 AB ⊥BC ,所以BF =AF cos ∠AFB =400
3
, 从而BC =CF -BF =150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆 M 与BC 的切点为D ,连接 MD ,则MD ⊥BC ,且MD 是圆M 的半径,并设MD =r m ,OM =d m (0≤d ≤60).
因为OA ⊥OC, 所以sin ∠CFO =cos ∠FCO .
故由(1)知sin ∠CFO =MD MF =MD OF -OM =r 6803-d =3
5, 所以r =680-3d 5
.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,
所以?
????r -d ≥80,r -(60-d )≥80,
即???680-3d
5
-d ≥80,680-3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5
最大,即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 22.、、[2014·全国卷] 已知抛物线C :y 2=2px (p >0)的焦点为F ,直线y =4与 y 轴的交点为P ,与C 的交点为Q ,且|QF |=5
4
|PQ |.
(1)求C 的方程;
(2)过F 的直线l 与C 相交于A ,B 两点,若AB 的垂直平分线l ′与C 相交于M ,N 两点,且A ,M ,B ,N 四点在同一圆上,求l 的方程.
22.解:(1)设Q (x 0,4),代入y 2=2px ,得x 0=8
p ,
所以|PQ |=8p ,|QF |=p 2+x 0=p 2+8
p
.
由题设得p 2+8p =54×8
p
,解得p =-2(舍去)或p =2,
所以C 的方程为y 2=4x .
(2)依题意知l 与坐标轴不垂直,故可设l 的方程为x =my +1(m ≠0). 代入y 2=4x ,得y 2-4my -4=0.
设A (x 1,y 1),B (x 2,y 2),则y 1+y 2=4m ,y 1y 2=-4. 故线段AB 的中点为D (2m 2+1,2m ), |AB |=m 2+1|y 1-y 2|=4(m 2+1).
又直线l ′的斜率为-m ,所以l ′的方程为x =-1
m y +2m 2+3.
将上式代入y 2=4x ,并整理得y 2+4
m y -4(2m 2+3)=0.
设M (x 3,y 3),N (x 4,y 4),则y 3+y 4=-4
m ,y 3y 4=-4(2m 2+3).
故线段MN 的中点为E ????2m 2+2m 2
+3,-2m , |MN |=
1+1
m 2|y 3-y 4|=4(m 2+1)2m 2+1m 2
. 由于线段MN 垂直平分线段AB ,故A ,M ,B ,N 四点在同一圆上等价于|AE |=|BE |=1
2|MN |,
从而
14|AB |2+|DE |2=1
4|MN |2,即 4(m 2
+1)2
+????2m +2m 2
+???
?2
m 2+22
=
4(m 2+1)2(2m 2+1)
m 4
,
化简得m 2-1=0,解得m =1或m =-1.
所求直线l 的方程为x -y -1=0或x +y -1=0.
21.、、、[2014·重庆卷] 如图1-5,设椭圆x 2a 2+y 2
b
2=1(a >b >0)的左、右焦点分别为F 1,
F 2,点D 在椭圆上,DF 1⊥F 1F 2,|F 1F 2||DF 1|=22,△DF 1F 2的面积为2
2
.
(1)求该椭圆的标准方程.
(2)是否存在圆心在y 轴上的圆,使圆在x 轴的上方与椭圆有两个交点,且圆在这两个交点处的两条切线相互垂直并分别过不同的焦点?若存在,求出圆的方程;若不存在,请说明理由.
21.解:(1)设F 1(-c ,0),F 2(c ,0),其中c 2
=a 2-b 2. 由|F 1F 2||DF 1|=2 2得|DF 1|=|F 1F 2|2 2=22
c . 从而S △DF 1F 2=12|DF 1||F 1F 2|=22c 2=2
2,故c =1.
从而|DF 1|=22.由DF 1⊥F 1F 2得|DF 2|2=|DF 1|2+|F 1F 2|2=92,因此|DF 2|=3 2
2
,
所以2a =|DF 1|+|DF 2|=2 2,故a =2,b 2=a 2-c 2=1.
因此,所求椭圆的标准方程为x 22
+y 2
=1.
(2)如图所示,设圆心在y 轴上的圆C 与椭圆x 22
+y 2
=1相交,P 1(x 1,y 1),P 2(x 2,y 2)是两
个交点,y 1>0,y 2>0,F 1P 1,F 2P 2是圆C 的切线,且F 1P 1⊥F 2P 2.由圆和椭圆的对称性,易知,x 2=-x 1,y 1=y 2.
由(1)知F 1(-1,0),F 2(1,0),所以F 1P 1=(x 1+1,y 1),F 2P 2→
=(-x 1-1,y 1).再由F 1P 1
⊥F 2P 2得-(x 1+1)2+y 2
1=0.
由椭圆方程得1-x 21
2=(x 1+1)2,即3x 21+4x 1=0,解得x 1=-43或x 1=0. 当x 1=0时,P 1,P 2重合,题设要求的圆不存在.
当x 1=-4
3
时,过P 1,P 2分别与F 1P 1,F 2P 2垂直的直线的交点即为圆心C .设C (0,y 0),
由CP 1⊥F 1P 1,得y 1-y 0x 1·y 1
x 1+1
=-1.
而y 1=|x 1+1|=13,故y 0=5
3
.
圆C 的半径|CP 1|=????-432+????13-532=4 23
.
综上,存在满足题设条件的圆,其方程为
x 2+????y -532=329
.
H3 圆的方程 6.,,[2014·福建卷] 已知直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心,且与直线x +y +1=0垂直,则l 的方程是( )
A .x +y -2=0
B .x -y =2=0
C .x +y -3=0
D .x -y +3=0
6.D [解析] 由直线l 与直线x +y +1=0垂直,可设直线l 的方程为x -y +m =0. 又直线l 过圆x 2+(y -3)2=4的圆心(0,3),则m =3,所以直线l 的方程为x -y +3=0,故选D.
17.[2014·湖北卷] 已知圆O :x 2+y 2=1和点A (-2,0),若定点B (b ,0)(b ≠-2)和常数λ满足:对圆O 上任意一点M ,都有|MB |=λ|MA |,则
(1)b =________; (2)λ=________.
17.(1)-12 (2)1
2
[解析] 设点M (cos θ,sin θ),则由|MB |=λ|MA |得(cos θ-b )2+
sin 2θ=λ2[](cos θ+2)2+sin 2
θ,即-2b cos θ+b 2+1=4λ2cos θ+5λ2对任意的θ都
成立,所以?????-2b =4λ2
,
b 2+1=5λ2.
又由|MB |=λ|MA |,得λ>0,且b ≠-2,解得?
??b =-12,λ=12
. 18.、、、[2014·江苏卷] 如图1-6所示,为保护河上古桥OA ,规划建一座新桥BC ,同时设立一个圆形保护区.规划要求:新桥BC 与河岸AB 垂直;保护区的边界为圆心M 在线段OA 上并与BC 相切的圆,且古桥两端O 和A 到该圆上任意一点的距离均不少于80 m .经测量,点A 位于点O 正北方向60 m 处,点C 位于点O 正东方向170 m 处(OC 为河岸),tan
∠BCO =4
3
.
(1)求新桥BC 的长.
(2)当OM 多长时,圆形保护区的面积最大?
图1-6
18.解: 方法一:
(1)如图所示, 以O 为坐标原点, OC 所在直线为 x 轴, 建立平面直角坐标系xOy .
由条件知A (0, 60), C (170,0),
直线 BC 的斜率k BC =-tan ∠BCO =-4
3.
又因为 AB ⊥BC, 所以直线AB 的斜率k AB =3
4.
设点 B 的坐标为(a ,b ),
则k BC =b -0a -170=-4
3, k AB =b -60a -0=34,
解得a =80, b =120,
所以BC =(170-80)2+(0-120)2=150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆M 的半径为r m, OM =d m (0≤d ≤60). 由条件知, 直线BC 的方程为y =-4
3
(x -170),
即4x +3y -680=0.
由于圆M 与直线BC 相切, 故点 M (0, d )到直线BC 的距离是r ,
即r =|3d - 680|42+32
=680-3d 5.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,所以?
????r -d ≥80,
r -(60-d )≥80,
即???680-3d
5
-d ≥80,680 - 3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5最大, 即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 方法二:
(1)如图所示, 延长 OA, CB 交于点F .
因为 tan ∠FCO =4
3
,
所以sin ∠FCO =45, cos ∠FCO =3
5.
因为OA =60,OC =170,
所以OF =OC tan ∠FCO =6803, CF =OC cos ∠FCO =8503, 从而AF =OF -OA =500
3.
因为OA ⊥OC, 所以cos ∠AFB =sin ∠FCO =4
5
.
又因为 AB ⊥BC ,所以BF =AF cos ∠AFB =400
3
, 从而BC =CF -BF =150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆 M 与BC 的切点为D ,连接 MD ,则MD ⊥BC ,且MD 是圆M 的半径,并设MD =r m ,OM =d m (0≤d ≤60).
因为OA ⊥OC, 所以sin ∠CFO =cos ∠FCO .
故由(1)知sin ∠CFO =MD MF =MD OF -OM =r 6803-d =3
5, 所以r =680-3d 5
.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,
所以?
????r -d ≥80,r -(60-d )≥80,
即???680-3d
5
-d ≥80,680-3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5
最大,即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 20.、、[2014·辽宁卷] 圆x 2+y 2=4的切线与x 轴正半轴、y 轴正半轴围成一个三角形,当该三角形面积最小时,切点为P (如图1-5所示).
(1)求点P 的坐标;
(2)焦点在x 轴上的椭圆C 过点P ,且与直线l :y =x +3交于A ,B 两点,若△P AB 的面积为2,求C 的标准方程.
20.解:(1)设切点坐标为(x 0,y 0)(x 0>0,y 0>0),则切线斜率为-x 0
y 0
,切线方程为y -y 0
=-x 0y 0
(x -x 0),即x 0x +y 0y =4,此时,两个坐标轴的正半轴与切线的交点分别为????4x 0,0,????0,4y 0,其围成的三角形的面积S =12·4x 0·4y 0=8x 0y 0
.由x 20+y 20
=4≥2x 0y 0知当且仅当x 0=y 0=2时x 0y 0有最大值,即S 有最小值,因此点P 的坐标为(2,2).
(2)设C 的标准方程为x 2a 2+y 2b 2=1(a >b >0),点A (x 1,y 1),B (x 2,y 2).由点P 在C 上知2
a
2
+2
b
2=1,并由?????x 2a 2+y 2b 2=1,y =x +3,
得b 2x 2+43x +6-2b 2=0. 又x 1,x 2是方程的根,所以?
??x 1+x 2=-43
b
2,
x 1x 2=6-2b 2
b
2.
由y 1=x 1+3,y 2=x 2+3,得
|AB |=4 6
3|x 1-x 2|=2·48-24b 2+8b 4b 2
.
由点P 到直线l 的距离为32及S △P AB =12×32
|AB |=2,得|AB |=4 6
3,即b 4-9b 2+18
=0,
解得b 2=6或3,因此b 2=6,a 2=3(舍)或b 2=3,a 2
=6,从而所求C 的方程为x 26+y 23
=
1.
20.、、[2014·全国新课标卷Ⅰ] 已知点P (2,2),圆C :x 2+y 2-8y =0,过点P 的动直线l 与圆C 交于A ,B 两点,线段AB 的中点为M ,O 为坐标原点.
(1)求M 的轨迹方程;
(2)当|OP |=|OM |时,求l 的方程及△POM 的面积. 20.解:(1)圆C 的方程可化为x 2+(y -4)2=16, 所以圆心为C (0,4),半径为4.
设M (x ,y ),则CM =(x ,y -4),MP =(2-x ,2-y ). 由题设知CM ·MP =0,故x (2-x )+(y -4)(2-y )=0,即(x -1)2+(y -3)2=2. 由于点P 在圆C 的内部,所以M 的轨迹方程是(x -1)2+(y -3)2=2.
(2)由(1)可知M 的轨迹是以点N (1,3)为圆心,2为半径的圆.
由于|OP |=|OM |,故O 在线段PM 的垂直平分线上,又P 在圆N 上,从而ON ⊥PM . 因为ON 的斜率为3,所以直线l 的斜率为-1
3
,
故l 的方程为y =-13x +8
3
.
又|OM |=|OP |=2 2,O 到直线l 的距离为410
5,
故|PM |=4105,所以△POM 的面积为16
5
.
H4 直线与圆、圆与圆的位置关系 5.[2014·浙江卷] 已知圆x 2+y 2+2x -2y +a =0截直线x +y +2=0所得弦的长度为4,则实数a 的值是( )
A .-2
B .-4
C .-6
D .-8
5.B [解析] 圆的标准方程为(x +1)2+(y -1)2=2-a ,r 2=2-a ,则圆心(-1,1)到直
线x +y +2=0的距离为|-1+1+2|
2
= 2.由22+(2)2=2-a ,得a =-4, 故选B.
6.[2014·安徽卷] 过点P (-3,-1)的直线l 与圆x 2+y 2=1有公共点,则直线l 的倾斜角的取值范围是( )
A.????0,π6
B.????0,π3
C.????0,π6
D.?
???0,π
3
6.D [解析] 易知直线l 的斜率存在,所以可设l :y +1=k (x +3),即kx -y +3k -1=0.因为直线l 圆x 2+y 2=1有公共点,所以圆心(0,0)到直线l 的距离|3k -1|1+k 2≤1,即k 2
-3k ≤0,解得0≤k ≤3,故直线l 的倾斜角的取值范围是?
???0,π3.
7.[2014·北京卷] 已知圆C :(x -3)2+(y -4)2=1和两点A (-m ,0),B (m ,0)(m >0).若
圆C 上存在点P ,使得∠APB =90°,则m 的最大值为( )
A .7
B .6
C .5
D .4
7.B [解析] 由图可知,圆C 上存在点P 使∠APB =90°,即圆C 与以AB 为直径的圆有公共点,所以32+42-1≤m ≤32+42+1,即4≤m ≤6.
11.,[2014·福建卷] 已知圆C :(x -a )2+(y -b )2=1,平面区域Ω:????
?x +y -7≤0,x -y +3≥0,y ≥0.若圆
心C ∈Ω,且圆C 与x 轴相切,则a 2+b 2的最大值为( )
A .5
B .29
C .37
D .49
11.C [解析] 作出不等式组????
?x +y -7≤0,x -y +3≥0,y ≥0表示的平面区域Ω(如下图阴影部分所示,
含边界),圆C :(x -a )2+(y -b )2=1的圆心坐标为(a ,b ),半径为1.由圆C 与x 轴相切,得
b =1.解方程组?????x +y -7=0,y =1,得?
????x =6,
y =1,即直线x +y -7=0与直线y =1的交点坐标为(6,1),
设此点为P .
又点C ∈Ω,则当点C 与P 重合时,a 取得最大值, 所以,a 2+b 2的最大值为62+12=37,故选C.
21.[2014·福建卷] 已知曲线Γ上的点到点F (0,1)的距离比它到直线y =-3的距离小2.
(1)求曲线Γ的方程.
(2)曲线Γ在点P 处的切线l 与x 轴交于点A ,直线y =3分别与直线l 及y 轴交于点M ,N .以MN 为直径作圆C ,过点A 作圆C 的切线,切点为B .试探究:当点P 在曲线Γ上运动(点P 与原点不重合)时,线段AB 的长度是否发生变化?证明你的结论.
21.解:方法一:(1)设S (x ,y )为曲线Γ上任意一点.
依题意,点S 到点F (0,1)的距离与它到直线y =-1的距离相等, 所以曲线Γ是以点F (0,1)为焦点,直线y =-1为准线的抛物线, 所以曲线Γ的方程为x 2=4y .
(2)当点P 在曲线Γ上运动时,线段AB 的长度不变.证明如下:
由(1)知抛物线Γ的方程为y =1
4x 2.
设P (x 0,y 0)(x 0≠0),则y 0=1
4x 20
,
由y ′=12x ,得切线l 的斜率k =y ′|x =x 0=1
2
x 0,
所以切线l 的方程为y -y 0=12x 0(x -x 0),即y =12x 0x -14x 20.
由?????y =12x 0x -14x 20,y =0,得A ???
?1
2x 0,0. 由?????y =12x 0x -14x 20,y =3,得M ????12
x 0+6
x 0,3. 又N (0,3),所以圆心C ???
?14x 0+3
x 0
,3, 半径r =1
2|MN |=????14x 0+3x 0, |AB |=|AC |2-r 2 =
????12
x 0-????14x 0+3x 02+32-????14x 0+3x 02
= 6.
所以点P 在曲线Γ上运动时,线段AB 的长度不变. 方法二:(1)设S (x ,y )为曲线Γ上任意一点,
则|y -(-3)|-(x -0)2+(y -1)2=2.
依题意,点S (x ,y )只能在直线y =-3的上方,所以y >-3,
所以(x -0)2+(y -1)2=y +1, 化简得,曲线Γ的方程为x 2=4y . (2)同方法一. 6.[2014·湖南卷] 若圆C 1:x 2+y 2=1与圆C 2:x 2+y 2-6x -8y +m =0外切,则m =( ) A .21 B .19 C .9 D .-11 6.C [解析] 依题意可得C 1(0,0),C 2(3,4),则|C 1C 2|=33+42=5.又r 1=1,r 2=25-m ,由r 1+r 2=25-m +1=5,解得m =9.
9.[2014·江苏卷] 在平面直角坐标系xOy 中,直线x +2y -3=0被圆(x -2)2+(y +1)2
=4截得的弦长为________.
9.2
5 55 [解析] 由题意可得,圆心为(2,-1),r =2,圆心到直线的距离d =|2-2-3|12+22=3
5
5,所以弦长为2r 2-d 2=2 4-95=2
5
55 .
18.、、、[2014·江苏卷] 如图1-6所示,为保护河上古桥OA ,规划建一座新桥BC ,同时设立一个圆形保护区.规划要求:新桥BC 与河岸AB 垂直;保护区的边界为圆心M 在线段OA 上并与BC 相切的圆,且古桥两端O 和A 到该圆上任意一点的距离均不少于80 m .经测量,点A 位于点O 正北方向60 m 处,点C 位于点O 正东方向170 m 处(OC 为河岸),tan ∠BCO =4
3
.
(1)求新桥BC 的长.
(2)当OM 多长时,圆形保护区的面积最大?
图1-6
18.解: 方法一:
(1)如图所示, 以O 为坐标原点, OC 所在直线为 x 轴, 建立平面直角坐标系xOy .
由条件知A (0, 60), C (170,0),
直线 BC 的斜率k BC =-tan ∠BCO =-4
3.
又因为 AB ⊥BC, 所以直线AB 的斜率k AB =3
4.
设点 B 的坐标为(a ,b ),
则k BC =b -0a -170=-4
3, k AB =b -60a -0=34,
解得a =80, b =120,
所以BC =(170-80)2+(0-120)2=150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆M 的半径为r m, OM =d m (0≤d ≤60). 由条件知, 直线BC 的方程为y =-4
3
(x -170),
即4x +3y -680=0.
由于圆M 与直线BC 相切, 故点 M (0, d )到直线BC 的距离是r ,
即r =|3d - 680|42+32
=680-3d 5.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,所以?
????r -d ≥80,
r -(60-d )≥80,
即??5
680 - 3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5最大, 即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 方法二:
(1)如图所示, 延长 OA, CB 交于点F .
因为 tan ∠FCO =4
3
,
所以sin ∠FCO =45, cos ∠FCO =3
5.
因为OA =60,OC =170,
所以OF =OC tan ∠FCO =6803, CF =OC cos ∠FCO =8503, 从而AF =OF -OA =500
3.
因为OA ⊥OC, 所以cos ∠AFB =sin ∠FCO =4
5
.
又因为 AB ⊥BC ,所以BF =AF cos ∠AFB =400
3
, 从而BC =CF -BF =150.
因此新桥BC 的长是150 m.
(2)设保护区的边界圆 M 与BC 的切点为D ,连接 MD ,则MD ⊥BC ,且MD 是圆M 的半径,并设MD =r m ,OM =d m (0≤d ≤60).
因为OA ⊥OC, 所以sin ∠CFO =cos ∠FCO .
故由(1)知sin ∠CFO =MD MF =MD OF -OM =r 6803-d =3
5, 所以r =680-3d 5
.
因为O 和A 到圆M 上任意一点的距离均不少于80 m ,
所以?
????r -d ≥80,r -(60-d )≥80,
即??5
680-3d
5-(60-d )≥80,
解得10≤d ≤35.
故当d =10时, r =680 - 3d
5
最大,即圆面积最大,
所以当OM =10 m 时, 圆形保护区的面积最大. 16.、[2014·全国卷] 直线l 1和l 2是圆x 2+y 2=2的两条切线.若l 1与l 2的交点为(1,3),则l 1与l 2的夹角的正切值等于________.
16.4
3 [解析] 如图所示,根据题意知,OA ⊥P A ,OA =2,OP =10,所以P A =OP 2-OA 2=2 2,所以tan ∠OP A =OA P A =22 2=1
2,故tan ∠APB =2tan ∠OP A 1-tan 2∠OP A =43,
即l 1与l 2的夹角的正切值等于4
3
.
12.[2014·新课标全国卷Ⅱ] 设点M (x 0,1),若在圆O :x 2+y 2=1上存在点N ,使得∠OMN =45°,则x 0的取值范围是( )
A. [-1,1]
B. ????-12,12
C. [-2,2]
D. ?
??
?
-
22,
22 12.A [解析] 点M (x 0,1)在直线y =1上,而直线y =1与圆x 2+y 2=1相切.据题意可设点N (0,1),如图,则只需∠OMN ≥45°即可,此时有tan ∠OMN =|ON |
|MN |≥tan 45°,
得0<|MN |≤|ON |=1,即0<|x 0|≤1,当M 位于点(0,1)时,显然在圆上存在点N 满足要求,综上可知-1≤x 0≤1.
20.、、[2014·全国新课标卷Ⅰ] 已知点P (2,2),圆C :x 2+y 2-8y =0,过点P 的动直线
l 与圆C 交于A ,B 两点,线段AB 的中点为M ,O 为坐标原点.
(1)求M 的轨迹方程;
(2)当|OP |=|OM |时,求l 的方程及△POM 的面积. 20.解:(1)圆C 的方程可化为x 2+(y -4)2=16, 所以圆心为C (0,4),半径为4.
设M (x ,y ),则CM =(x ,y -4),MP =(2-x ,2-y ). 由题设知CM ·MP =0,故x (2-x )+(y -4)(2-y )=0,即(x -1)2+(y -3)2=2. 由于点P 在圆C 的内部,所以M 的轨迹方程是(x -1)2+(y -3)2=2.
(2)由(1)可知M 的轨迹是以点N (1,3)为圆心,2为半径的圆.
由于|OP |=|OM |,故O 在线段PM 的垂直平分线上,又P 在圆N 上,从而ON ⊥PM . 因为ON 的斜率为3,所以直线l 的斜率为-1
3,
故l 的方程为y =-13x +8
3
.
又|OM |=|OP |=2 2,O 到直线l 的距离为410
5,
故|PM |=4105,所以△POM 的面积为16
5
.
14.[2014·山东卷] 圆心在直线x -2y =0上的圆C 与y 轴的正半轴相切,圆C 截x 轴所得弦的长为23,则圆C 的标准方程为________.
14.(x -2)2+(y -1)2=4 [解析] 因为圆心在直线x -2y =0上,所以可设圆心坐标为(2b ,b ).又圆C 与y 轴的正半轴相切,所以b >0,圆的半径是2b .由勾股定理可得b 2+(3)2=4b 2,解得b =±1.又因为b >0,所以b =1,所以圆C 的圆心坐标为(2,1),半径是2,所以圆C 的标准方程是(x -2)2+(y -1)2=4.
14.[2014·重庆卷] 已知直线x -y +a =0与圆心为C 的圆x 2+y 2+2x -4y -4=0相交于A ,B 两点,且AC ⊥BC ,则实数a 的值为________.
14.0或6 [解析] ∵圆C 的标准方程为(x +1)2+(y -2)2=9,∴圆心为C (-1,2),半
径为 3.∵AC ⊥BC ,∴|AB |=3 2.∵圆心到直线的距离d =|-1-2+a |2=|a -3|
2
,∴|AB |=
2r 2-d 2
=29-? ??
?
?|a -3|22=3 2,即(a -3)2=9,∴a =0或a =6. 9.、[2014·四川卷] 设m ∈R ,过定点A 的动直线x +my =0和过定点B 的动直线mx -y -m +3=0交于点P (x ,y ),则|P A |+|PB |的取值范围是( )
A .[5,2 5 ]
B .[10,2 5 ]
C .[10,4 5 ]
D .[25,4 5 ]
9.B [解析] 由题意可知,定点A (0,0),B (1,3),且两条直线互相垂直, 则其交点P (x ,y )落在以AB 为直径的圆周上,
所以|P A |2+|PB |2=|AB |2=10,即|P A |+|PB |≥|AB |=10. 又|P A |+|PB |=(|P A |+|PB |)2= |P A |2+2|P A ||PB |+|PB |2≤ 2(|P A |2+|PB |2)=2 5,
所以|P A |+|PB |∈[10,2 5],故选B.
21.、、、[2014·重庆卷] 如图1-5,设椭圆x 2a 2+y 2
b
2=1(a >b >0)的左、右焦点分别为F 1,
F 2,点D 在椭圆上,DF 1⊥F 1F 2,|F 1F 2||DF 1|=22,△DF 1F 2的面积为2
2
.
(1)求该椭圆的标准方程.
(2)是否存在圆心在y 轴上的圆,使圆在x 轴的上方与椭圆有两个交点,且圆在这两个交点处的两条切线相互垂直并分别过不同的焦点?若存在,求出圆的方程;若不存在,请说明理由.
21.解:(1)设F 1(-c ,0),F 2(c ,0),其中c 2
=a 2-b 2. 由|F 1F 2||DF 1|=2 2得|DF 1|=|F 1F 2|2 2=22
c . 从而S △DF 1F 2=12|DF 1||F 1F 2|=22c 2=2
2,故c =1.
从而|DF 1|=22.由DF 1⊥F 1F 2得|DF 2|2=|DF 1|2+|F 1F 2|2=92,因此|DF 2|=3 2
2
,
所以2a =|DF 1|+|DF 2|=2 2,故a =2,b 2=a 2-c 2=1.
因此,所求椭圆的标准方程为x 22
+y 2
=1.
(2)如图所示,设圆心在y 轴上的圆C 与椭圆x 22
+y 2
=1相交,P 1(x 1,y 1),P 2(x 2,y 2)是两
个交点,y 1>0,y 2>0,F 1P 1,F 2P 2是圆C 的切线,且F 1P 1⊥F 2P 2.由圆和椭圆的对称性,易知,x 2=-x 1,y 1=y 2.
由(1)知F 1(-1,0),F 2(1,0),所以F 1P 1=(x 1+1,y 1),F 2P 2→
=(-x 1-1,y 1).再由F 1P 1
⊥F 2P 2得-(x 1+1)2+y 2
1=0.
由椭圆方程得1-x 21
2=(x 1+1)2,即3x 21+4x 1=0,解得x 1=-43或x 1=0. 当x 1=0时,P 1,P 2重合,题设要求的圆不存在.
当x 1=-4
3
时,过P 1,P 2分别与F 1P 1,F 2P 2垂直的直线的交点即为圆心C .设C (0,y 0),
由CP 1⊥F 1P 1,得y 1-y 0x 1·y 1
x 1+1=-1.
而y 1=|x 1+1|=13,故y 0=5
3
.
圆C 的半径|CP 1|=????-432+????13-532=4 23
.
综上,存在满足题设条件的圆,其方程为
x 2
+????y -532
=329
.
H5 椭圆及其几何性质
21.、、、[2014·重庆卷] 如图1-5,设椭圆x 2a 2+y 2
b
2=1(a >b >0)的左、右焦点分别为F 1,
F 2,点D 在椭圆上,DF 1⊥F 1F 2,|F 1F 2||DF 1|=22,△DF 1F 2的面积为2
2
.
(1)求该椭圆的标准方程.
(2)是否存在圆心在y 轴上的圆,使圆在x 轴的上方与椭圆有两个交点,且圆在这两个交点处的两条切线相互垂直并分别过不同的焦点?若存在,求出圆的方程;若不存在,请说明理由.
21.解:(1)设F 1(-c ,0),F 2(c ,0),其中c 2
=a 2-b 2. 由|F 1F 2||DF 1|=2 2得|DF 1|=|F 1F 2|2 2=22
c . 从而S △DF 1F 2=12|DF 1||F 1F 2|=22c 2=2
2,故c =1.
从而|DF 1|=22.由DF 1⊥F 1F 2得|DF 2|2=|DF 1|2+|F 1F 2|2=92,因此|DF 2|=3 2
2
,
所以2a =|DF 1|+|DF 2|=2 2,故a =2,b 2=a 2-c 2=1.
因此,所求椭圆的标准方程为x 22
+y 2
=1.
(2)如图所示,设圆心在y 轴上的圆C 与椭圆x 22
+y 2
=1相交,P 1(x 1,y 1),P 2(x 2,y 2)是两
个交点,y 1>0,y 2>0,F 1P 1,F 2P 2是圆C 的切线,且F 1P 1⊥F 2P 2.由圆和椭圆的对称性,易知,x 2=-x 1,y 1=y 2.
由(1)知F 1(-1,0),F 2(1,0),所以F 1P 1=(x 1+1,y 1),F 2P 2→
=(-x 1-1,y 1).再由F 1P 1
⊥F 2P 2得-(x 1+1)2+y 2
1=0.
由椭圆方程得1-x 21
2=(x 1+1)2,即3x 21+4x 1=0,解得x 1=-43或x 1=0. 当x 1=0时,P 1,P 2重合,题设要求的圆不存在.
当x 1=-4
3
时,过P 1,P 2分别与F 1P 1,F 2P 2垂直的直线的交点即为圆心C .设C (0,y 0),
由CP 1⊥F 1P 1,得y 1-y 0x 1·y 1
x 1+1
=-1.
而y 1=|x 1+1|=13,故y 0=5
3
.
圆C 的半径|CP 1|=????-432+????13-532=4 23
.
综上,存在满足题设条件的圆,其方程为
x 2+????y -532=329
.
20.、[2014·安徽卷] 设函数f (x )=1+(1+a )x -x 2-x 3,其中a >0. (1)讨论f (x )在其定义域上的单调性;
(2)当x ∈[0,1]时,求f (x )取得最大值和最小值时的x 的值. 20.解: (1)f (x )的定义域为(-∞,+∞), f ′(x )=1+a -2x -3x 2.
令f ′(x )=0,得x 1=-1-4+3a
3,
x 2=-1+4+3a 3,且x 1 所以f ′(x )=-3(x -x 1)(x -x 2). 当x 故f (x )在? ????-∞,-1-4+3a 3和 ? ???? -1+4+3a 3,+∞内单调递减, 在? ?? ??-1-4+3a 3, -1+4+3a 3内单调递增. (2)因为a >0,所以x 1<0,x 2>0, ①当a ≥4时,x 2≥1,由(1)知,f (x )在[0,1]上单调递增,所以f (x )在x =0和x =1处分别取得最小值和最大值.