第15讲圆锥曲线中的三角形高屋建瓴1.阿基米德三角形定义圆锥曲线弦的两个端点和在这两端点处的切线的交点所构成的三角形叫作阿基米德三角形,这条弦叫作阿基米德三角形的底,两切线的交点叫作阿基米德三角形的顶点.特别地,我们把底边过焦点的阿基米德三角形称为阿基米德焦点三角形.阿基米德最早利用逼近的思想证明了:抛物线的弦与抛物线所围成的封闭图形的面积等于阿基米德三角形面积的23.以抛物线22(0)x py p =>为例,如图151-所示,抛物线上两个不同的点A ,B 的坐标分别为()11,A x y ,()22,B x y ,以A ,B 为切点的切线PA ,PB 相交于点P ,我们称弦AB 为阿基米德PAB ∆的底边.2.阿基米德三角形性质性质1:阿基米德三角形底边上的中线平行于抛物线的轴且点P 的坐标为1212,22x x x x p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭.证明:如图15-2所示,设()11,A x y ,()22,B x y ,M 为弦AB 的中点,则过A 的切线方程为()11x x p y y =+,过B 的切线方程为()22x x p y y =+,联立方程组得,()()221121122222x x p y y x x p y y x py x py ⎧=+⎪=+⎪⎨=⎪⎪=⎩,解得两切线交点1212,22x x x x P p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,进而可知//PM y 轴.性质2:PM 的中点Q 在抛物线上,且Q 处的切线与AB 平行.【证明】:如图15-3,由性质1知,1212,22x x x x P p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,1212,22x x y y M ++⎛⎫ ⎪⎝⎭,易得Q 点的坐标为()21212,28x x x x p ⎛⎫++ ⎪ ⎪⎝⎭,此点显然在抛物线上.过Q 的切线的斜率为121222x x x x x k y p +=+='=,而221212121212222AB x x y y x x p p k x x x x p --+===--,结论得证.性质3:若阿基米德三角形的底边AB 过抛物线内定点C ,则另一顶点P 的轨迹一条直线.【证明】如图154-,设(),P x y ,()00,C x y ,()11,A x y ,()22,B x y ,由性质1,122x x x +=,122x x y p =,所以122x x x +=,122x x py =.由A ,B ,C 点共线知2222211011222x x x y p p px x x x --=--,即()0121202x x x x x py +=+,将122x x x +=,122x x py =代入得()00x x p y y =+,即为P 点的轨迹方程.推论:若阿基米德三角形的底边(即弦)AB 过抛物线内一定点()0,(0)C m m >,那么:①另一顶点P 的轨迹方程为y m =-;②2AP BP mk k p⋅=-(定值).性质4:抛物线以C 点为中点的弦平行于P 点的轨迹.证明:如图15-5,设(),P x y ,()00,C x y ,()11,A x y ,()22,B x y ,由性质3得P 点轨迹方程为()00x x p y y =+,它的斜率为0x p .由2112222,2,x py x py ⎧=⎪⎨=⎪⎩两式相减得()2212122x x p y y -=-,即1212122x x y y p x x +-=-,有0AB x k p =.因此该弦与P 点的轨迹直线l 平行.性质5:若直线l 与抛物线没有公共点,以l 上点为顶点的阿基米德三角形底边过定点.【证明】:如图15-5,设l 的方程为0ax by c ++=,且()11,A x y ,()22,B x y ,弦AB 过点()00,C x y ,由性质3可知P 点的轨迹方程()00x x p y y =+,该方程与0ax by c ++=表示同一条直线,对照000x x y y p -++=,0a cx y b b++=可得0ap x b =-,0c y b =,即弦AB 过定点,ap c C b b ⎛⎫- ⎪⎝⎭.性质6:底边长为a 的阿基米德三角形的面积的最大值为38a p.【证明】:如图15-6所示,AB a =,设P 到AB 的距离为d ,由性质1知()2221212121212222444x x y y x x x x x x d PM p p p p-++=-=-= .设直线AB 方程为y mx n =+,则21a x =-=,所以()2221x x a - ,24a d p ,即3128a S ad p= .推论:PAB ∆的面积3128PABx x S p∆-=.【证明】:因为1212,22x x x x P p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,1212,22x x y y M ++⎛⎫⎪⎝⎭,所以()222121212121222424x x y y x x x x x x PM p p p p -++=-=-=,所以31212128PAB x x S PM x x p∆-=-=.性质7:(1)若阿基米德三角形的底边过焦点,则顶点P 的轨迹为准线;反之,若阿基米德三角形的顶点P 在准线上,则底边过焦点.(2)若阿基米德三角形的底边过焦点,则阿基米德三角形的底边所对的角为直角,且阿基米德三角形的面积的最小值为2p .【证明】:(2)若底边过焦点,则00x =,02p y =,点P 的轨迹方程为2py =-,即为准线,易验证1PA PB k k ⋅=-,即PA PB ⊥,故阿基米德三角形为直角三角形,且P 为直角顶点,所以221212224y y x x p PM p ++=+=+2122224242x x p p p p p p p +=+= .而()212121122PAB S PM x x PM x x PM p ∆=-=+- .特别地,若阿基米德三角形的弦AB 过抛物线的焦点,那么:①另一顶点P 的轨迹为准线2py =-;②PA PB ⊥;③PF AB ⊥;④PAB ∆的面积的最小值为2p .性质8:在阿基米德三角形ABP 中,若F 为抛物线的焦点,则2||PF AF BF =⋅.【证明】:()21212122224p p p p AF BF y y y y y y ⎛⎫⎛⎫⋅=++=+++⎪⎪⎝⎭⎝⎭22221212244x x x x p p ⎛⎫+=++ ⎪⎝⎭,222222212121212||222244x x x x x x x x p p PF p p ⎛⎫⎛⎫++⎛⎫=+-=++⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭,所以2||PF AF BF =⋅.参考答案解析试题再现1.【解析】(1)设1,2D t ⎛⎫- ⎪⎝⎭,()11,A x y ,则2112x y =,由于y x '=,所以切线DA 的斜率为1x ,故11112y x x t +=-,整理得112210tx y -+=.设()22,B x y ,同理可得222210tx y -+=.故直线AB 的方程为2210tx y -+=,所以直线AB 过定点10,2⎛⎫⎪⎝⎭.(2)由(1)得直线AB 的方程为12y tx =+.由21,2,2y tx x y ⎧⎪⎪⎨⎪⎪=⎩+=.可得2210x tx --=.于是122,x x t +=()21212121y y t x x t +=++=+,121x x =-,因此()212||21AB x t =-==+.设1d ,2d 分别为点D ,E 到直线AB 的距离,则1d =2d =因此,四边形ADBE的面积21||(32S AB t =+.设M 为线段AB 的中点,则21,2M t t ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,由于EM AB ⊥ ,而()2,2EM t t =- ,AB 与向量(1,)t 平行,所以2(2)0t t t +-=,解得0t =或1t =±.当0t =时,3S =;当1t =±时,S =因此,四边形ADBE的面积为3或评注:第(1)问的背景就是阿基米德三角形性质5的应用,设01,2D x ⎛⎫- ⎪⎝⎭,则AB 的方程可写为:012x x y =-,所以必过定点10,2⎛⎫⎪⎝⎭.2.【解析】(1)由题意设211,2x A x p ⎛⎫ ⎪⎝⎭,222,2x B x p ⎛⎫ ⎪⎝⎭,12x x <,)0(,2M x p -.由22x py =得22x y p =,则x y p '=,所以1MA x k p =,2MB x k p =.因此直线MA 的方程为()102x y p x x p +=-,直线MB 的方程为()202xy p x x p +=-.所以()2111022x x p x x p p +=-①,()0222222x p x x px +=-)②,由①②得121202x x x x x -=+-,因此1202x x x +=,即0122x x x =+,所以A ,M ,B 三点的横坐标成等差数列.(2)由(1)知,当02x =时,将其代入①②并整理得2211440x x p --=,2222440x x p --=,所以1x ,2x 是方程22440x x p --=的两根,因此124x x +=,2124x x p =-,又,222112210222AB x x x x p p k x px x P -+===-所以2AB k p =由弦长公式得|AB ==又||AB =,所以1p =或2p =,因此所求抛物线方程为22x y =或24x y=(3)设()33,D x y ,由题意得()1212,C x x y y ++,则CD 的中点坐标为123123,22x x x x x x Q ++++⎛⎫⎝⎭,由阿基米德三角形性质可知直线AB 的方程为0(2)x x p y p =-,由点Q 在直线AB 上,并注意到点1212,22x x y y ++⎛⎫⎪⎝⎭也在直线AB 上,代入得033x y x p =.若()33,D x y 在抛物线上,则2330322x py x x ==,因此30x =或302x x =,即(0,0)D 或20022,x D x p ⎛⎫ ⎪⎝⎭.①当00x =时,12020x x x +==,此时,点(0,2)M p -适合题意.②当00x ≠时,对于(0,0)D ,此时221202,2x x C x p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,2212221200224CDx x x x pk x px ++==,又0AB x k p =,AB CD ⊥,所以22012214AB CD x x x k k p p +⋅=⋅=-,即222124x x p +=-,矛盾.对于20022,x D x p ⎛⎫ ⎪⎝⎭,因为221202,2x x C x p ⎛⎫+ ⎪⎝⎭,此时直线CD 平行于y 轴,又00ABx k p =≠,所以直线AB 与直线CD 不垂直,与题设矛盾.所以当00x ≠时,不存在符合题意的M 点.综上所述,仅存在一点(0,2)M p -适合题意.评注:第(1)问背景就是阿基米德三角形性质1的应用.3.【解析】(1)依题意2d ==,解得1c =(负值舍去),所以抛物线C 的方程为24x y =.(2)设点()11,A x y ,()22,B x y ,()00,P x y ,由24x y =,即214y x =,得12y x '=.所以抛物线C 在点A 处的切线PA 的方程为()1112x y y x x -=-,即2111122x y x y x =+-.因为21114y x =,所以1112x y x y =-.因为点()00,P x y 在切线1l 上,所以10012x y x y =-①.同理,20022xy x y =-②.综合①②得,点()11,A x y ,()22,B x y 的坐标都满足方程002xy x y =-.因为经过()11,A x y ,()22,B x y 两点的直线是唯一的,所以直线AB 的方程为002xy x y =-,即02x x y --020y =.(3)由抛物线的定义可知1||1AF y =+,2||1BF y =+,所以()()121212||||111AF BF y y y y y y ⋅=++=+++,联立2004,220,x y x x y y ⎧⎪⎨⎪=-=⎩-.消去x 得()22200020y y x y y +-+=,所以212002y y x y +=-,2120y y y =.因为0020x y --=,所以()222222000000019||||21221225222AF BF y y x y y y y y y ⎛⎫⋅=-++=-+++=++=++⎪⎝⎭因此当012y =-时,||||AF BF ⋅取得最小值92.评注:第(2)问的背景就是阿基米德三角形性质5的应用,因为()00,P x y 为直线l 上的定点,所以AB 的方程为()002x x y y =+.4.【解析】(1)因为抛物线21:4C x y =上任意一点(,)x y 的切线斜率为2x y '=,且切线MA 的斜率为12-,所以A 点坐标为11,4⎛⎫- ⎪⎝⎭,故切线MA 的方程为11(1)24y x =-++.因为点()01M y -在切线MA 及抛物线2C 上,于是0113(2244y -=-+=-①,20(12)32222y p p-=-=-②.由①②得2p =.(2)设(,)N x y ,211,4x A x ⎛⎫ ⎪⎝⎭,222,4x B x ⎛⎫ ⎪⎝⎭,12x x ≠.由N 为线段AB 中点知122x x x +=③,22128x x y +=④,切线MA ,MB 的方程为()211124x x y x x =-+⑤,()222224x x y x x =-+⑥.由⑤⑥得MA ,MB 的交点()00,M x y 的坐标为1202x x x +=,1204x x y =.因为点()00,M x y 在2C 上,即2004x y =-,所以2212126x x x x +=-⑦.由③④⑦得243x y =,0x ≠,当12x x =时,A ,B 重合于原点O ,AB 中点N 为O ,坐标满足243x y =,因此AB 中点N 的轨迹方程为243x y =.练习巩固1.【解析】(1)设过点C 的直线方程为y kx c =+,所以2(0)x kx c c =+>,即20x kx c --=,设()11,A x y ,()22,B x y ,则有12x x k +=,12x x c =-,()11,OA x y = ,()22,OB x y = .因为2OA OB ⋅=,所以12122x x y y +=,即()()12122x x kx c kx c +++=,)22121212(2x x k x x kc x x c ++++=,所以222c k c kc k c --+⋅+=,即220c c --=,解得2c =(舍去1c =-).(2)设过A 的切线为()111y y k x x -=-,2y x '=,所以112k x =,即2211111222y x x x y x x x =-+=-,它与y c =-的交点为11,22x c M c x ⎛⎫-- ⎪⎝⎭.又21212,,2222x x y y k k P c ⎛⎫++⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,所以,2k Q c ⎛⎫- ⎪⎝⎭,为12x x c =-,所以21c x x -=.则12,,222x x k M c c ⎛⎫⎛⎫+-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,即点M 和点Q 重合,因此QA 为此抛物线的切线.(3)(2)的逆命题成立,因为若QA 为此抛物线的切线,则其方程为()21112y x x x x -=-,2112y x x x =-,与y c =-联立,可得点Q 横坐标为2211121211222x c x x x x x x x x -++===.由于PQ 与x 轴垂直,故点P 的横坐标也是为122x x +,即P 为线段AB 的中点.评注:第(2)问的背景就是设过点A ,B 的切线交于点M ,则ABM △为阿基米德三角形,由性质1可知点M的横坐标为122x x +,又弦AB 过定点(0,)C c ,点M 在直线y c =-上,故点M 的坐标为12,2x x c +⎛⎫- ⎪⎝⎭,所以点M 与点Q 重合,即QA 为此抛物线的切线.2.【解析】(1)设点A ,B 的坐标分别为()11,x y ,()22,x y ,因为1l ,2l 分别是抛物线C 在点A ,B 处的切线,所以直线1l 的斜率111x x x k y p ='==,直线2l 的斜率222x x xk y p='==.因为12l l ⊥,所以121k k =-,得212x x p =-(1).因为A ,B 是抛物线C 上的点,所以2112x y p =,2222x y p =,故直线1l 的方程为()21112x x y x x p p-=-,直线2l 的方程为()22222x x y x x p p -=-.由()()21112222,2,2x x y x x p p x x y x x p p ⎪-=⎧⎪⎪⎨=--⎪⎩-.计算得出12,2,2x x x p y ⎧⎪⎪⎨⎪⎪+=⎩=-.所以点D 的纵坐标为2p -.(2)因为F 为抛物线C 的焦点,所以0,2p F ⎛⎫ ⎪⎝⎭,则直线AF 的斜率为21221111122202AF x p p y x p p k x x px ---===-,直线BF 的斜率为22222222222202BF x p p y x p p k x x px ---===-.因为()()222222222112121212222AF BF x x p x x p x p x p k k px px px x ------=-=()()()()22212121212121212022x x x x p x x p x x p x x px x px x -+---+-===所以AF BF k k =,即A ,B ,F ,(3)不存在,证明如下.假设存在与题意相符的圆,设该圆的圆心为M ,根据题意得MA AD ⊥,MB BD ⊥,且||||MA MB =,由12l l ⊥,得AD BD ⊥,所以四边形MADB 是正方形,有||AD BD =.因为点D 的坐标为3,12⎛⎫- ⎪⎝⎭,所以12p -=-,得2p =,把点3,12D ⎛⎫- ⎪⎝⎭的坐标代入直线1l ,得211131422x x x ⎛⎫--=⨯- ⎪⎝⎭,解得(4,4)或11,4⎛⎫- ⎪⎝⎭.同理可求得点B 的坐标为(4,4)或11,4⎛⎫- ⎪⎝⎭.因为A ,B 是抛物线C 上的不同两点,不妨令11,4A ⎛⎫- ⎪⎝⎭,(4,4)B ,则||AD =||BD =可得||||AD BD ≠,这与||||AD BD =矛盾,所以经过A ,B 两点且与1l ,2l 都相切的圆不存在.3.【解析】(1)依题意,圆心的轨迹是以(0,2)N 为焦点,:2l y =-为准线的抛物线,因为抛物线焦点到准线距离等于4,所以圆心的轨迹是28x y =.(2)由已知(0,2)N ,设()11,A x y ,()22,B x y ,由AN = NB λ,得()()1122,2,2x y x y λ--=-,故()1212 22 x x y y λλ⎧⎪⎨⎪--=-⎩=①②,将①式两边平方并把2118x y =,2228x y =代入得212y y λ=③,解②③式得12y λ=,22y λ=,且有21222816x x x y λλ=-=-=-,抛物线方程为218y x =,求导得14y x '=,所以过抛物线上A ,B 两点的切线方程分别是()11114y x x x y =-+,()22214y x x x y =-+,即2111148y x x x =-,2221148y x x x =-,解出两条切线的交点Q 的坐标为121212,,2282x x x x x x ++⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭.所以()()22221221212121111,4,402288x x NQ AB x x y y x x x x +⎛⎫⎛⎫⋅=-⋅--=---= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,因此NQ AB ⋅ 为定值,其值为0.评注:第(2)问的背景就是阿基米德三角形性质7的(2)的应用.4.【解析】(1)设椭圆E 的方程为22221x y a b+=,半焦距为c ,由已知条件,(0,1)F ,所以1b =,32c a =,222a b c =+,解得2a =,1b =,所以椭圆E 的方程为2214x y +=.(2)显然直线l 的斜率存在,否则直线l 与抛物线C 只有一个交点,不合题意,故可设直线l 的方程为1y kx =+,()11,A x y ,()()2212,B x y x x ≠,与抛物线方程联立,消去y ,并整理得2440x kx --=,所以124x x =-.因为抛物线的方程为214y x =,求导得12y x '=,所以过抛物线上A ,B 两点的切线方程分别是()11112y y x x x -=-,222)1(2y y x x x -=-,即2111124y x x x =-,2221124y x x x =-,解得两条切线的交点M 的坐标为12,12x x +⎛⎫- ⎪⎝⎭.()2221212121,,4x x AB x x y y x x ⎛⎫-=--=- ⎪⎝⎭,21,22x x MF +⎛⎫=- ⎪⎝⎭,22222121022x x x x AB MF --⋅=-+= ,0AB MF ⋅= ,所以AB MF⊥(3)假设存在点M '满足题意,由(2)知点M '必在直线1y =-上,又直线1y =-与椭圆有唯一交点,故M '的坐标为(0,1)-.设过点M '且与抛物线C 相切的直线方程为()00012y y x x x -=-,其中点()00,x y 为切点,令0x =,1y =-,得()2000111042x x x --=-,解得02x =或02x =-,故不妨取(2,1)A '-,(2,1)B ',即直线A B ''过点F .综上所述,椭圆E 上存在一点(0,1)M '-,经过点M '作抛物线C 的两条切线M A '',M B ''(A ',B '为切点),能使直线A B ''过点F ,此时,两切线的方程分别为1y x =--和1y x =-.评注:第(2)问的背景就是阿基米德三角形性质7的(2)的应用.。