本题导读
本题考查直线与椭圆的位置关系、几何证明以及最值求解。第一问通过几何直观(垂足 位于以焦距为直径的圆上)或代数放缩证明点 在椭圆内部;第二问利用两相互垂直的焦点弦,将其方程与椭圆方程联立,利用韦达定理表示出弦长,最后将面积转化为关于斜率的代数函数求最值。
📌【题干】
Question
(2007年大纲卷I(理)) 已知椭圆 的左、右焦点分别为 ,过 的直线交椭圆于 两点,过 的直线交椭圆于 两点,且 ,垂足为 .
(1) 设 点的坐标为 ,证明: ;
(2) 求四边形 的面积的最小值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问:
- 几何法:因为 ,且 ,所以 。
- 根据圆的几何性质,点 必然在以线段 为直径的圆上。
- 计算该圆的方程,并与椭圆方程作边界范围比对,证明点 的坐标满足椭圆内部区域不等式。
- 第二问:
因为对角线 ,所以四边形 的面积可以直接简化表示为 。
设直线 的斜率为 ,则直线 的斜率为 (需单独讨论斜率不存在或为 0 的特殊轴对称情况)。
设直线 的方程为 ,与椭圆联立求出弦长 关于 的表达式。
同理,将 替换为 即可直接获得弦长 的表达式。
两弦长相乘,通过代数换元法或基本不等式求解面积的绝对最小值。
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四边形 面积的最小值为
✍【详细解析】
Abstract
解:(1)证明:由椭圆方程 可得: 所以左、右焦点坐标分别为 , 。
因为 三点共线(直线 ), 三点共线(直线 ), 且已知 ,垂足为 , 所以有 (当 不与 重合时)。 根据圆的几何性质,点 的轨迹是以线段 为直径的圆(除去两焦点)。 该圆的圆心为坐标原点 ,半径为 ,其方程为:
我们将点 的坐标代入待证的椭圆代数式中进行代换: 因为 , 所以: 即 恒成立。
(2)解:因为四边形 的对角线 ,所以其面积公式为:
情况一:当两条直线中有一条斜率为 0(另一条斜率不存在)时 不妨设直线 轴重合在 轴上,此时 为椭圆的长轴, 。 此时直线 轴且过右焦点 ,即 为通径,其长度为 。 此时四边形的面积为:
情况二:当两条直线的斜率均存在且不为 0 时 设直线 的斜率为 (),则其方程为 。 将直线 的方程与椭圆方程联立: 代入 : 设 ,由韦达定理得: 由弦长公式可得 长度为:
因为 ,所以直线 的斜率为 。 同理,只需将上面的弦长表达式中的 全额替换为 ,即可直接得到弦长 的表达式:
将两弦长代入面积公式中:
令 ,因为 ,所以 。 由于 ,代入上式分母中进行元转换: 分子分母同除以 :
令 ,因为 ,所以 。 面积式转化为关于 的二次函数: 分母二次项 的对称轴为 。 当 时,分母取得最大值: 此时,整体面积 取得绝对最小值:
因为 ,综合两种情况,全域绝对最小值为 。
答案:四边形 面积的最小值为 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:直角弦隐性圆轨迹方程、对角线垂直四边形面积模型、两相互垂直焦点弦长公式的参数对称代换、二次函数留域最值。
- 核心方法:斜率换元消元法。
- 避坑指南:
- 第二问设直线方程时,必须要单独把斜率为 0 或不存在的特殊对称轴情况优先隔离讨论出来。如果直接联立,分母含 会导致漏掉潜在边界。
- 最终求得关于 的二次函数时,一定要精确核校自变量 的定义域范围( )。由于对称轴 恰好落在该区间内,最值可在顶点处完美切出。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题考查椭圆的标准方程与几何性质、直线与圆锥曲线的位置关系,是全国大纲卷I(理)解答题的高频命题方向,同型题见下方类题演练。
- 变式思考:本题的核心步骤(联立方程韦达定理法、几何关系转化法)可迁移到同类问题——若改变题设条件(如更换数值或几何对象),解法框架不变,重在把握「条件→目标」的转化路径。
- 知识关联:椭圆的标准方程与几何性质、直线与圆锥曲线的位置关系相互关联,解答中综合运用了联立方程韦达定理法、几何关系转化法,建议结合知识锚点中的对应专题系统梳理。
🔗【关联脉络】
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