(2014)(本题满分16分) 本题共有3个小题,第1小题…——2014 高考数学第 22 题答案解析

2014_上海 Paper

2014 Shanghai Question 22 Free-response Differentiating
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22.

(2014)(本题满分16分)

本题共有3个小题,第1小题满分3分,第2小题满分5分,第3小题满分8分.

在平面直角坐标系 $x O y$ 中,对于直线 $l : a x + b y + c = 0$ 和点 $P _ { 1 } ( x _ { 1 } , y _ { 1 } ) , P _ { 2 } ( x _ { 2 } , y _ { 2 } )$ 记 $\eta = ( a x _ { 1 } + b y _ { 1 } + c ) ( a x _ { 2 } + b y _ { 2 } + c )$ 若 $\eta < 0$ ,则称点 $P _ { 1 } , P _ { 2 }$ 被直线l分割.若曲线C与直线l没有公共点,且曲线C上存在点 $P _ { 1 } , P _ { 2 }$ 被直线l分割,则称直线l为曲线C的一条分割线.

(1) 求证:点 A B(1 , 2) , ( 1 , 0)- 被直线 $x + y - 1 = 0$ 分割;

(2) 若直线 y kx= 是曲线 $x ^ { 2 } - 4 y ^ { 2 } = 1$ 的分割线,求实数k的取值范围;

(3) 动点M 到点Q(0, 2)的距离与到y 轴的距离之积为1,设点M 的轨迹为曲线E .
求证:通过原点的直线中,有且仅有一条直线是E 的分割线.

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(1) 将点 $A(1, 2)$ 和 $B(-1, 0)$ 的坐标分别代入直线方程 $x + y - 1$ 的左侧表达式。
对于点 $A$,得 $1 + 2 - 1 = 2$;
对于点 $B$,得 $-1 + 0 - 1 = -2$。
计算 $\eta = 2 \times (-2) = -4$。
因为 $\eta < 0$,根据定义,点 $A, B$ 被直线 $x + y - 1 = 0$ 分割。

(2) 若直线 $y = kx$ 是曲线 $x^2 - 4y^2 = 1$ 的分割线,需满足两个条件:
① 直线与曲线无公共点;
② 曲线上存在两点被该直线分割。

首先联立方程组:
$$ \begin{cases} x^2 - 4y^2 = 1 \\ y = kx \end{cases} $$
消去 $y$ 得 $x^2 - 4(kx)^2 = 1$,即 $(1 - 4k^2)x^2 = 1$。
要使直线与曲线无公共点,上述关于 $x$ 的方程应无实数解。
当 $1 - 4k^2 \le 0$ 时,方程左边非正(或为零),右边为 $1$,显然无解。
解不等式 $1 - 4k^2 \le 0$,得 $k^2 \ge \frac{1}{4}$,即 $k \le -\frac{1}{2}$ 或 $k \ge \frac{1}{2}$。

其次验证分割条件。双曲线 $x^2 - 4y^2 = 1$ 分为左右两支。
取左支上一点 $P_1(-1, 0)$,右支上一点 $P_2(1, 0)$。
代入直线方程 $kx - y = 0$ 的左侧表达式:
$\eta = (k \cdot (-1) - 0)(k \cdot 1 - 0) = -k^2$。
当 $k \neq 0$ 时,$\eta = -k^2 < 0$,说明这两点被直线分割。
而在 $k \le -\frac{1}{2}$ 或 $k \ge \frac{1}{2}$ 的范围内,$k \neq 0$ 恒成立。
故实数 $k$ 的取值范围是 $(-\infty, -\frac{1}{2}] \cup [\frac{1}{2}, +\infty)$。

(3) 设动点 $M(x, y)$。由题意知 $|MQ| \cdot |x| = 1$,其中 $Q(0, 2)$。
即 $\sqrt{x^2 + (y-2)^2} \cdot |x| = 1$。
两边平方整理得曲线 $E$ 的方程:$x^2 [x^2 + (y-2)^2] = 1$。
显然 $x \neq 0$,否则方程左边为 $0$,右边为 $1$,矛盾。

考虑过原点的直线:
情形一:直线斜率不存在,即直线为 $y$ 轴 ($x=0$)。
由上可知,曲线 $E$ 上任意点的横坐标 $x \neq 0$,故直线 $x=0$ 与曲线 $E$ 无公共点。
取曲线 $E$ 上两点:令 $y=2$,代入方程得 $x^2 \cdot x^2 = 1 \Rightarrow x = \pm 1$。
即点 $P_1(1, 2)$ 和 $P_2(-1, 2)$ 在曲线 $E$ 上。
将这两点代入 $x=0$ 的左侧表达式(即 $x$):$\eta = 1 \times (-1) = -1 < 0$。
所以 $P_1, P_2$ 被直线 $x=0$ 分割。
综上,直线 $x=0$ 是曲线 $E$ 的一条分割线。

情形二:直线斜率存在,设直线方程为 $y = kx$。
将其代入曲线 $E$ 的方程:
$x^2 [x^2 + (kx - 2)^2] = 1$
$x^2 [x^2 + k^2x^2 - 4kx + 4] = 1$
$(1+k^2)x^4 - 4kx^3 + 4x^2 - 1 = 0$
令 $f(x) = (1+k^2)x^4 - 4kx^3 + 4x^2 - 1$。
考察函数值:
$f(0) = -1 < 0$。
$f(1) = (1+k^2) - 4k + 4 - 1 = k^2 - 4k + 4 = (k-2)^2 \ge 0$。
$f(-1) = (1+k^2) + 4k + 4 - 1 = k^2 + 4k + 4 = (k+2)^2 \ge 0$。

若 $k \neq 2$,则 $f(1) > 0$。因为 $f(0) < 0$,由零点存在性定理,在区间 $(0, 1)$ 内必存在实根 $x_0$,使得 $f(x_0)=0$。这意味着直线 $y=kx$ 与曲线 $E$ 有公共点。
若 $k = 2$,则 $f(1) = 0$,此时 $x=1$ 即为公共点。
(注:即使 $k=-2$,也有 $f(-1)=0$,存在公共点)。
因此,对于任意实数 $k$,直线 $y=kx$ 与曲线 $E$ 至少有一个公共点。
根据分割线的定义(必须与曲线没有公共点),所有斜率存在的过原点直线都不是曲线 $E$ 的分割线。

综上所述,通过原点的直线中,有且仅有一条直线 $x=0$ 是曲线 $E$ 的分割线。

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