(14分) ( 2 0 1 3 ) ^ ~ ~ ~ 东)已…——2013 高考数学第 20 题答案解析

2013_省自主命题(广东)

2013 Guangdong Question 20 Free-response Differentiating
2013_省自主命题(广东)

20.(14分) $( 2 0 1 3 \bullet ) ^ { \mathrm { ~ \tiny ~ \dotsc ~ } }$ 东)已知抛物线C的顶点为原点,其焦点F $( 0 , \mathrm { ~ \small ~ c ~ } ) \mathrm { ~ \small ~ \left( ~ c > 0 ~ \right) ~ }$ 到直线l: $\mathbf { x } - \mathbf { y } - 2 { = } 0$ 的距离为${ \frac { 3 { \sqrt { 2 } } } { 2 } } ,$ ,设P为直线l上的点,过点P作抛物线C的两条切线PA,PB,其中A,B为切点

(1)求抛物线C的方程;

(2)当点P $( \mathbf { \boldsymbol { x } } _ { 0 } , \mathbf { \boldsymbol { y } } _ { 0 } )$ 为直线l上的定点时,求直线AB的方程;

(3)当点P在直线l上移动时,求 $| \mathrm { A F } | \bullet | \mathrm { B F } |$ 的最小值

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(1)由题意,抛物线 $C$ 的顶点为原点,焦点 $F(0, c)$ ($c>0$),故设抛物线方程为 $x^2 = 4cy$。
焦点 $F(0, c)$ 到直线 $l: x - y - 2 = 0$ 的距离为:
$$ d = \frac{|0 - c - 2|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2}} = \frac{|c + 2|}{\sqrt{2}} $$
因为 $c > 0$,所以 $|c + 2| = c + 2$。
由已知 $d = \frac{3\sqrt{2}}{2}$,可得:
$$ \frac{c + 2}{\sqrt{2}} = \frac{3\sqrt{2}}{2} \implies c + 2 = 3 \implies c = 1 $$
所以抛物线 $C$ 的方程为 $x^2 = 4y$。

(2)设 $A(x_1, y_1)$,$B(x_2, y_2)$。由 $x^2 = 4y$ 得 $y = \frac{1}{4}x^2$,求导得 $y' = \frac{1}{2}x$。
切线 $PA$ 的斜率为 $k_{PA} = \frac{1}{2}x_1$,方程为:
$$ y - y_1 = \frac{1}{2}x_1(x - x_1) $$
代入 $y_1 = \frac{1}{4}x_1^2$,整理得:
$$ y = \frac{1}{2}x_1 x - \frac{1}{4}x_1^2 = \frac{1}{2}x_1 x - y_1 $$
同理,切线 $PB$ 的方程为:
$$ y = \frac{1}{2}x_2 x - y_2 $$
因为点 $P(x_0, y_0)$ 在切线 $PA$ 和 $PB$ 上,所以满足:
$$ y_0 = \frac{1}{2}x_1 x_0 - y_1 \implies \frac{1}{2}x_0 x_1 - y_1 - y_0 = 0 $$
$$ y_0 = \frac{1}{2}x_2 x_0 - y_2 \implies \frac{1}{2}x_0 x_2 - y_2 - y_0 = 0 $$
这表明点 $A(x_1, y_1)$ 和 $B(x_2, y_2)$ 的坐标均满足方程 $\frac{1}{2}x_0 x - y - y_0 = 0$。
故直线 $AB$ 的方程为:
$$ \frac{1}{2}x_0 x - y - y_0 = 0 \quad \text{即} \quad x_0 x - 2y - 2y_0 = 0 $$
又因为点 $P(x_0, y_0)$ 在直线 $l: x - y - 2 = 0$ 上,所以 $y_0 = x_0 - 2$。
代入直线 $AB$ 方程可得:
$$ x_0 x - 2y - 2(x_0 - 2) = 0 \implies x_0(x - 2) - 2y + 4 = 0 $$
或者保留参数形式 $y = \frac{x_0}{2}x - y_0$。通常写为 $x_0 x - 2y - 2y_0 = 0$ 即可。

(3)由抛物线定义可知,抛物线上任意一点到焦点的距离等于该点到准线 $y = -1$ 的距离。
所以 $|AF| = y_1 + 1$, $|BF| = y_2 + 1$。
则:
$$ |AF| \cdot |BF| = (y_1 + 1)(y_2 + 1) = y_1 y_2 + (y_1 + y_2) + 1 $$
联立直线 $AB$ 方程 $x_0 x - 2y - 2y_0 = 0$ 与抛物线方程 $x^2 = 4y$:
由直线方程得 $x = \frac{2(y + y_0)}{x_0}$ (当 $x_0 \neq 0$),代入抛物线方程较繁琐。
更简便的方法是利用韦达定理。
将 $y = \frac{1}{4}x^2$ 代入直线 $AB$ 方程 $y = \frac{x_0}{2}x - y_0$:
$$ \frac{1}{4}x^2 - \frac{x_0}{2}x + y_0 = 0 \implies x^2 - 2x_0 x + 4y_0 = 0 $$
该方程的两根为 $x_1, x_2$。由韦达定理:
$$ x_1 + x_2 = 2x_0, \quad x_1 x_2 = 4y_0 $$
我们需要计算 $y_1 y_2$ 和 $y_1 + y_2$:
$$ y_1 y_2 = \frac{x_1^2}{4} \cdot \frac{x_2^2}{4} = \frac{(x_1 x_2)^2}{16} = \frac{(4y_0)^2}{16} = y_0^2 $$
$$ y_1 + y_2 = \frac{x_1^2 + x_2^2}{4} = \frac{(x_1 + x_2)^2 - 2x_1 x_2}{4} = \frac{(2x_0)^2 - 2(4y_0)}{4} = \frac{4x_0^2 - 8y_0}{4} = x_0^2 - 2y_0 $$
所以:
$$ |AF| \cdot |BF| = y_0^2 + (x_0^2 - 2y_0) + 1 = x_0^2 + y_0^2 - 2y_0 + 1 = x_0^2 + (y_0 - 1)^2 $$
因为点 $P(x_0, y_0)$ 在直线 $x - y - 2 = 0$ 上,即 $x_0 = y_0 + 2$。
代入上式,将目标函数转化为关于 $y_0$ 的二次函数:
$$ f(y_0) = (y_0 + 2)^2 + (y_0 - 1)^2 $$
$$ f(y_0) = (y_0^2 + 4y_0 + 4) + (y_0^2 - 2y_0 + 1) = 2y_0^2 + 2y_0 + 5 $$
这是一个开口向上的抛物线,对称轴为 $y_0 = -\frac{2}{2 \times 2} = -\frac{1}{2}$。
所以当 $y_0 = -\frac{1}{2}$ 时,取得最小值:
$$ f(-\frac{1}{2}) = 2(-\frac{1}{2})^2 + 2(-\frac{1}{2}) + 5 = 2(\frac{1}{4}) - 1 + 5 = \frac{1}{2} + 4 = \frac{9}{2} $$
此时 $x_0 = -\frac{1}{2} + 2 = \frac{3}{2}$,点 $P(\frac{3}{2}, -\frac{1}{2})$ 存在且符合题意。
故 $|AF| \cdot |BF|$ 的最小值为 $\frac{9}{2}$。

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