本题导读

本题考查椭圆的标准方程与几何性质。核心在于设线法(设直线方程)、坐标代换法(转化为关于一元变量的函数)的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2022年浙江卷) 如图,已知椭圆 .设 , 是椭圆上异于 的两点,且点 在线段 上,直线 , 分别交直线 于 , 两点.

(Ⅰ)求点 到椭圆上点的距离的最大值;

(Ⅱ)求 的最小值.

🔍【思路分析】

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第(Ⅰ)问:转化为函数最值问题。

设椭圆上任意一点 ,利用两点间的距离公式写出 的表达式。因为点在椭圆上,利用椭圆方程消去 ,将距离的平方转化为关于纵坐标 的一元二次函数。注意 的取值范围是 ,结合二次函数的对称轴即可求出最大值。

第(Ⅱ)问:解析几何综合大题的“设、列、算、化”。

  1. 设线与联立:点 在线段 上,可设直线 的方程为 ,与椭圆方程联立,利用韦达定理得到 和 。

  2. 求交点:写出直线 、 的方程,分别与定直线 联立,用 及 表示出 两点的横坐标 。

  3. 表达目标量:利用直线的弦长公式将 转化为含有 的表达式,再利用韦达定理将其转化为仅关于参数 的函数。

  4. 求最值:构造关于 的函数 ,利用导数研究其单调性,进而求出 的最小值。

✅【答案】

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(1)

(2) 的最小值为

✍【详细解析】

Abstract

设椭圆上任意一点为 ,已知 。

由两点间的距离公式可得:

因为点 在椭圆 上,所以 ,且 。

代入 的表达式中,消去 得:

|PM|^2 = (12 - 12y^2) + (y^2 - 2y + 1)$$$$|PM|^2 = -11y^2 - 2y + 13 \quad (y \in [-1, 1])

令 ,该二次函数的图象开口向下,对称轴为 。

因为 ,所以当 时, 取得最大值:

因此,。

即点 到椭圆上点的距离的最大值为 。

由题意,直线 过点 ,且斜率显然存在,设直线 的方程为 ,设 ,。

将直线 方程代入椭圆方程 :

化简整理得:

由韦达定理可得:

此时:

设 ,。

直线 的方程为:。

将 代入,得直线 斜率为 。

联立直线 与直线 :

-\frac{1}{2}x_3 + 3 = \frac{kx_1 - \frac{1}{2}}{x_1}x_3 + 1$$$$\left(k - \frac{1}{2x_1} + \frac{1}{2}\right)x_3 = 2 \implies x_3 = \frac{4x_1}{(2k+1)x_1 - 1}

同理可得,直线 与直线 的交点横坐标为:

因为点 都在直线 上,由弦长公式可得:

|CD| = \sqrt{1 + \left(-\frac{1}{2}\right)^2} |x_3 - x_4| = \frac{\sqrt{5}}{2} \left| \frac{4x_1}{(2k+1)x_1 - 1} - \frac{4x_2}{(2k+1)x_2 - 1} \right|$$$$|CD| = 2\sqrt{5} \left| \frac{x_1[(2k+1)x_2 - 1] - x_2[(2k+1)x_1 - 1]}{[(2k+1)x_1 - 1][(2k+1)x_2 - 1]} \right|$$$$|CD| = 2\sqrt{5} \left| \frac{x_2 - x_1}{(2k+1)^2x_1x_2 - (2k+1)(x_1+x_2) + 1} \right|

将韦达定理的结论代入分母中化简:

(2k+1)^2 \left(-\frac{9}{12k^2+1}\right) - (2k+1)\left(-\frac{12k}{12k^2+1}\right) + 1$$$$= \frac{-9(4k^2+4k+1) + 12k(2k+1) + 12k^2+1}{12k^2+1}$$$$= \frac{-36k^2 - 36k - 9 + 24k^2 + 12k + 12k^2 + 1}{12k^2+1}$$$$= \frac{-24k - 8}{12k^2+1} = \frac{-8(3k+1)}{12k^2+1}

将分母和 代回 :

下面求函数 的最小值。

考虑到绝对值,我们对 进行分类讨论:

(1)当 时,:

此时 ,所以 。

(2)当 时,:

此时 。利用导数求最值:

令 ,解得 。

当 时,, 单调递减;

当 时,, 单调递增。

所以当 时, 取得极小值,也是该区间上的最小值:

由于 ,所以全域内的最小值为 。

此时 。

综上所述,当 时, 取得最小值,最小值为

。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  • 一元二次函数最值问题:第(Ⅰ)问是很基础的“参数化”,解题关键是必须注意定义域 ,防止对称轴不在定义域内而导致的盲目取极值。

  • 联立求解与弦长公式:第(Ⅱ)问展示了解析几何大题的标准流程。难点不在于想到这个方法,而在于巨大的代数化简工作量。在计算 和 时,要善用直线过某一点的几何特征化简斜率。

  • 分式的代数整理:在化简 的分母时,要保持耐心,将韦达定理整体代入后,同分母合并,最后分子往往会出现能够大面积约分的公因式(如本题中的 提取公因数后得到 )。

  • 最值求解的导数应用:在得到包含根号的分式型函数求最值时,可以直接求导(注意复合函数求导法则,尤其是分子部分的求导 ),找导函数的零点。同时,分母包含绝对值或可能变号时,务必分类讨论定义域,确保极值即为最值。

📖【试题探源与推广】

Tip

在解析几何大题中,掌握不同的代数处理技巧可以极大提高解题效率并降低计算出错率。

拓展一:第一问的“三角换元法” 椭圆上的点除了设直角坐标 外,还可以利用椭圆的参数方程进行转化。 椭圆 的参数方程为 ()。 则点 到点 的距离平方为:

|PM|^2 = (2\sqrt{3}\cos\theta - 0)^2 + (\sin\theta - 1)^2$$$$|PM|^2 = 12\cos^2\theta + \sin^2\theta - 2\sin\theta + 1

因为 ,代入得:

令 ,立刻转化为一元二次函数 的最值问题。这种方法天然兼顾了变量的取值范围,是求解析几何极值问题的有效手段。

拓展二:第二问避开求导的“整体换元法” 在第二问的最后阶段,我们需要求 (在 时)的最小值。原解析使用了求导法则,虽然严谨但计算量较大。对于形如 的分式函数,通常可以采用整体换元法来巧妙避开求导。 具体操作如下: 令分母 ,则 。 将 代入分子根号内部的表达式中:

此时,将原函数平方(求 的最小值等价于求 的最小值):

此时观察括号内的表达式,如果我们令 (因为 ,所以 ),则式子变成了关于 的二次函数:

二次函数 在对称轴 处取得最小值。 将 代入,求得最小值为:

所以 的最小值为 。 此时 。 这一技巧利用了高频出现的二次齐次结构结构,运算过程清晰流畅,极大地降低了求导出错的概率。

🔗【关联脉络】

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