本题导读
本题考查椭圆的标准方程与几何性质。核心在于待定系数法、联立法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2012年北京卷(理)) 已知椭圆 的离心率为 ,椭圆 短轴的一个端点是圆 的圆心.
(1)求椭圆 的方程;
(2)已知点 ,设过点 的直线 与椭圆 交于 两点,点 是椭圆 的上顶点,求 面积的最大值.
🔍【思路分析】
破题导航
- 分析第(1)问(求椭圆方程):
- 首先处理圆的方程,通过配方法 得到圆心为 。
- 依据题意,椭圆短轴的一个端点是该圆心,且 (焦点在 轴上),故上顶点或下顶点为 ,直接得到 。
- 结合离心率 以及不变量关系 ,联立解出 和 ,从而确定标准方程。
- 分析第(2)问(直线与椭圆相交的最值):
- 由第(1)问可知椭圆的上顶点为 。由于直线 过点 且与椭圆交于两点,其斜率显然存在,可设直线方程为 。
- 将直线方程与椭圆方程联立,消去 得到关于 的一元二次方程,利用判别式 确定斜率 的取值范围。
- 设 ,写出韦达定理。
- 的面积可以看作:以 为底,点 到直线 的距离 为高。
- 运用弦长公式求出 ,运用点到直线距离公式求出 。进而将面积 表示为关于 的代数式,通过换元法或均值不等式求解其最大值。
✅【答案】
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(1)
(2)
✍【详细解析】
Abstract
(1)求椭圆 的方程
将圆的方程 进行配方: 由此可知,该圆的圆心坐标为 。
因为椭圆 短轴的一个端点是该圆心, 所以椭圆的短半轴长为:
又因为椭圆的离心率 , 根据椭圆中 的几何不变量关系:
由离心率平方公式:
联立以上两式: 从而求得:
因此,椭圆 的标准方程为:
(2)求 面积的最大值
由(1)可知,椭圆 的上顶点坐标为 。 过点 的直线 与 轴不重合,故可设直线 的方程为:
将直线 的方程代入椭圆 的方程中:
由于直线 与椭圆 交于 两点,则该一元二次方程的判别式 必须严格大于 0:
设 ,由韦达定理可得:
计算两交点横坐标的差值绝对值 :
根据弦长公式,底边 的长度为:
直线 的通用方程可改写为一般式: 。 根据点到直线的距离公式,顶点 到直线 的距离(即 的高 )为:
因此, 的面积 可以表示为:
为了求解该代数式的最大值,采用换元法。 令 ,则有 。 代入面积公式中,消去自变量 :
由于 ,应用基本不等式(均值不等式):
当且仅当 时,分母取得最小值。 此时对应的斜率平方为: 显然 ,完全符合 ① 式判别式的约束条件。
因此, 面积 的最大值为:
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:椭圆几何性质与圆方程的有机结合;直线与椭圆位置关系的传统设线、联立、代换流形;解析几何中三角形面积的通用构造。
- 核心方法:整体换元法(令根式为 将分子齐次化,转化为对勾函数求最值)。
- 避坑指南:
- 直线设法的选择:本题点 在 轴上,若设 ,需要注意其无法表示 轴本身。由于 轴与椭圆交于 和 ,此时与 三点共线无法构成三角形,面积为 0,故不影响最大值的求解,但思维上需严谨。若设 则可规避此讨论。
- 别忘校验判别式:求出最值点 后,必须回头代入判别式约束 中进行安全验证。若不满足,最值只能在边界处取得。
📖【试题探源与推广】
Tip
试题探源: 本题为2012年北京卷高考理科数学第19题,是全卷解析几何章节的压轴大题。题目将圆的标准方程、椭圆的标准方程、弦长公式、点面距离以及代数基本不等式完美熔于一炉,层次分明,对考生的多项式运算抗压能力有极高的要求。
结论推广: 在仿射几何与射影变换流形中,第二问的面积最值模型可以推广为**“椭圆定轴割线三角形面积极大值定理”**: 设椭圆方程为 , 为其上顶点。现有一动割线 恒过其对称轴上的定点 且与椭圆交于 两点。 通过仿射变换 将椭圆拉伸变换为单位正圆 ,此时三角形的面积按比例缩放,其极大值的代数不变量完全由定点与顶点的相对几何高度比值决定,可作为快速心算复核的工具。
🔗【关联脉络】
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