2012年山东高考数学试题(理科)第21题解析
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本文已发表在曲阜师范大学《中学数学杂志》2012年7期上 2012年山东高考数学试题(理科)第21题解析 济南第三职业中等专业学校 250100 吴金革 题目 在平面直角坐标系xOy中,F是抛物线)0(2:2ppyxC的焦点,M是抛物线C上位于
第一象限内的任意一点,过OFM,,三点的圆的圆心为Q,点Q到抛物线C的准线的距离为43. (Ⅰ)求抛物线C的方程; (Ⅱ)是否存在点M,使得直线MQ与抛物线C相切于点M,若存在,求出点M的坐标;若不存在,说明理由; (Ⅲ)若点M的横坐标为2,直线41:kxyl与抛物线C有两个不同的交点BA,,直线l与
⊙Q有两个不同的交点ED,,求当221k时,22||||DEAB的最小值. 本题是2012年山东高考理科数学试题的两道压轴题之一,是解析几何知识与函数、导数、方程、不等式等知识的交汇题,在知识上主要考查直线方程、抛物线、直线与抛物线的位置关系、圆、直线与圆的位置关系、弦长公式、曲线导数的几何意义、利用函数的导数求最值、存在性问题,在方法上主要考查数形结合、函数与方程、等价转化的思想方法,在能力上主要考查学生运算能力,逻辑思维能力,灵活运用所学知识探索问题、分析和解决问题的能力.现把本题的思路分析、解题方法和推广归结如下.
思路分析 (Ⅰ)由抛物线C的标准形式得点F的坐标和准线方程,由圆心Q在弦OF的中垂线上
得点Q的纵坐标,再由点Q到抛物线C的准线的距离列出方程,确定p的值. (Ⅱ)存在性问题(山东高考数学解析几何试题连续五年都考查了存在性问题)的常用方法是:先假设结论存在,进行演绎推理,若推出矛盾,则否定假设;若推出合理的结果,说明假设成立. 由于圆有较多的几何性质,所以利用圆的性质解答,既可优化思路又可使方法丰富多彩.
思路1:先求切线MQ的方程,结合弦OF的中垂线方程解点Q的坐标,再由点Q在弦OM的中垂线上即可. 思路2:先由点Q在弦OF、OM的中垂线上,再结合切线QM斜率的不同形式表示,列出方程思考. 思路3:用待定系数法得⊙Q的方程,点M的坐标满足⊙Q的方程,再由直线QM斜率的不同形式表示,列出方程思考. 思路4:先求切线MQ的方程,结合弦OF的中垂线方程解点Q的坐标,连结FM,取线段FM的
中点P,由圆的垂径定理知PQFM,对应直线斜率的积为1即可. 思路5:连结FM,取线段FM的中点P,由圆的垂径定理知PQFM,对应直线斜率的积为1,再由切线QM斜率的不同形式表示,列出方程思考. 思路6:先求切线MQ的方程,结合弦OF的中垂线方程解点Q的坐标,再延长OQ交⊙Q于点S,连结MSOM、,则MSOM,利用向量的数量积思考. 思路7:切线MQ、线段FM和OF的中垂线对应的方程联立来思考.
(Ⅲ)思路1:先确定⊙Q的方程,把直线l的方程分别与抛物线C的方程、⊙Q的方程联立,利用弦长公式求出||||DEAB、,22||||DEAB是关于k的函数,再通过换元12kt,利用导函数求最小值. 思路2:与思路1的不同之处是换元2kt,利用导函数求最小值. 思路3:与前两个思路的不同之处是不换元,利用两次求导函数,求最小值. 解题方法 (Ⅰ)解:由题意知)2,0(pF,圆心Q在线段OF的中垂线4py上,所以点Q的纵坐
标为4p. 又抛物线C的准线方程为2py,所以43p43,即1p. 因此抛物线C的方程为yx22.
(Ⅱ)解法1:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,抛物线C在点M出的切线斜率为
axyaxax|)2(|2,得直线MQ的方程为)(22axaay. 令41y,得aax412,所以点)41,412(aaQ. 又||||OQQM,
所以222)241()241(aaa 22)41()241(aa ,即
169)241(22a. 又0a,所以2a,此时)1,2(M. 故存在
点)1,2(M,使得直线MQ与抛物线C相切于点M. 点评:用导数的方法求曲线的切线斜率简洁、方便,也可以用待定系数法设出切线的方程,与抛物线的方程联立,消一个未知数,一元二次方程的判别式为零来确定切线斜率.
解法2:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,点)21,0(F,设点)41,(bQ,由||||OQQM,得
22222)41()412()(baba,解得8383aab. 又抛物线C在点M出的切线斜率为
axyaxax|)2(|2,直线QM的斜率为aaaaaaa5428384123232,所以aaaa54232,即2a. 由
FO
M
Qx
y
2py
4py
图1 此存在点)1,2(M,使得直线MQ与抛物线C相切于点M. 解法3:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,点)21,0(F,设点)41,(bQ,则⊙Q的半径为
161||2bOQ. 所以⊙Q的方程为161)41()(222bybx. 由于点M在⊙Q上,所以
161)412()(2222baba,解得8383aa
b. 以下同法2.
解法4:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,同法1求出点)41,412(aaQ. 连结FM,设线段FM的中点为P,则PQFM. 由
)21,0(F,得)41,2(2aaP. 又直线FM的斜率为aak2121,直线PQ的斜率为32ak,所以124221aakk,即2a,故存在点)1,2(M,使得直线MQ与抛物线C相切于点M. 点评:可用向量0FMPQ确定a;也可以连结OM,取线段OM的中点N,由圆的垂径定理知NQOM,对应直线斜率的积为1或0OMNQ,确定a;.
解法5:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,连结FM,设线段FM的中点为P,则PQFM. 由)21,0(F,得)41,2(2aaP. 又直线FM的斜率为aak2121,所以直线PQ的斜率为
212
121aakk
. 设点)41,(bQ,则baaabak4224141222 212aa,即8383aab. 以下同
法2. 点评:可用向量0FMPQ确定点Q的横坐标b与a的关系;也可以连结OM,取线段OM的中
点N,由圆的垂径定理知NQOM,对应直线斜率的积为1或0OMNQ,确定点Q的横坐标b与a的关系. 解法6:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,同法1求出点)41,412(aaQ. 延长OQ交⊙Q于点S,连结MSOM、,则)21,21(aaS,MSOM. 又)2,(2aaOM,)21,21(2aaMS,所以MSOM042142
aa,即2a. 故存在点)1,2(M,
使得直线MQ与抛物线C相切于点M. 点评:也可以延长FQ交⊙Q于点T,连结MTFM、,由中点坐标公式确定点T的坐标,由直径对的圆周角为直角得MTFM,再利用向量的数量积确定a.
解法7:假设存在点)0)(2,(2aaaM满足条件,由法1知:直线MQ的方程为)(22axaay①.
由法5知:线段FM的中垂线方程为)2(124122axaaay②. 又点Q在线段OF的中垂线方程41y③上,所以联立①②③得方程组. 把③代入①②整理得方程组0380124422aaaxaax,消x得
0224aa.又0a,所以2a.故存在点)1,2(M,使得直线MQ与抛物线C相切于点M. 点评:也可以利用直线MQ、线段OM和OF的中垂线对应的方程联立得到的方程组来解.
(Ⅲ)解法1:当2a时,点)41,825(Q,⊙Q的半径为863||OQr. 所以⊙Q的方程为
3227)41()825(22yx. 设点DCBA,,,的坐标分别为
),(),,(2211yxyx, ),(),,(4433yxyx,由yxkxy2412 消y,得01422kxx. 由于081621k,kxx221,2121xx,所以]4))[((12122122xxxxk|AB|
2))(4(122kk. 由3227)41()825(4122yxkxy 消y,得01220)1(1622xxk. 由于8002 0)(1642k,)1(425243kxx,)1(161221kxx,所以24322))[(1(xxk|DE| 41)1(825]4243kxx. 因此2||AB2224)(1(||kkDE 41)1(825)22k.
设21kt)221(k,则545t. 令)(tf22||||DEAB41242ttt825,]5,45[t,又)(tf0825282tt])5,45[(t,所以函数)(tf在]5,45[是增函数,即当45t时)(tg有最小值213. 故当21k时,22||||DEAB有最小值213. 解法2:同法1求出2||AB2224)(1(||kkDE41)1(825)22k.
设2kt)221(k,则]4,41[t,2||AB)24)(1(||2ttDE41)1(825t.令)24)(1()(tttf41)1(825t,]4,41[t,则2)1(82568)(tttf
,当]4,41[t时,
6)41()(ftf,所以)(tf在]4,41[上是增函数. 所以)(tf有最小值213)21(f. 故当21k时,22||||DEAB有最小值213.
解法3:同法1求出2||AB2224)(1(||kkDE41)1(825)22k.
令)(kf224)(1(kk41)1(825)22k )221(k, 则kkkf1216)(322)1(425kk. 设)(kgkkkf1216)(322)1(425kk)221(k,则248)(kkg22)1(42512k
222)1(25kk. 再设)(kh248k22)1(42512k)221(k,则)(kg)(kh222)1(25kk
. 而)(kh
在]2,21[上是增函数,最小值20)21(h,显然)(kg在]2,21[上大于0,所以)(kg在]2,21[上是增函数. 又03)21(g,所以)(kg在]2,21[上总大于0,即0)(kf. 所以)(kf在]2,21[上是增函数,最小值为