(12分)设圆 x^ 2 +y^ 2 +2 x-15=0…——2016 高考数学第 20 题答案解析

2016_新课标 I 卷 (2016·理)

2016 National Question 20 Free-response Differentiating
2016_新课标 I 卷 (2016·理)

20.(12分)设圆 $x^{2}+y^{2}+2 x-15=0$ 的圆心为 $A$ ,直线过点 $B(1,0)$ 且与 $x$ 轴不重合, I 交圆 A 于 $\mathrm{C}, \mathrm{D}$ 两点,过 B 作 AC 的平行线交 AD 于点 E .
(I)证明 $|E A|+|E B|$ 为定值,并写出点 $E$ 的轨迹方程;
(II)设点 E 的轨迹为曲线 $\mathrm{C}_{1}$ ,直线 $l$ 交 $\mathrm{C}_{1}$ 于 $\mathrm{M}, \mathrm{N}$ 两点,过 B 且与 I 垂直的直线与圆 $A$ 交于 $P, Q$ 两点,求四边形 $M P N Q$ 面积的取值范围.

Answer key

(I)证明见解析;$|EA|+|EB|=4$,点 $E$ 的轨迹方程为 $\dfrac{x^{2}}{4}+\dfrac{y^{2}}{3}=1\ (y\neq0)$.
(II)$[12,8\sqrt3)$.

查看原卷 →

完整解析 · 逐步详解

(I)圆方程化为 $(x+1)^2+y^2=16$,故圆心 $A(-1,0)$,半径 $4$。因为 $|AB|=2<4$,点 $B$ 在圆内,所以 $B$ 在弦 $CD$ 内部。

在 $\triangle ACD$ 中,$AC=AD$。又 $BE\parallel AC$,且 $E$ 在 $AD$ 上,所以 $\triangle DBE\sim\triangle DCA$,于是
$\dfrac{DE}{DA}=\dfrac{BE}{CA}$。
由 $CA=DA=4$,得 $BE=DE$。同时 $E$ 在线段 $AD$ 上,因此
$|EA|+|EB|=|EA|+|ED|=|AD|=4$。

点 $E$ 到 $A(-1,0)$、$B(1,0)$ 的距离和为定值 $4$,其轨迹是以 $A,B$ 为焦点的椭圆。设 $2a=4$,则 $a=2$;焦距 $2c=|AB|=2$,则 $c=1$,所以
$b^2=a^2-c^2=4-1=3$。
故轨迹方程为
$\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{3}=1$。
由于原直线不与 $x$ 轴重合,点 $E$ 不在 $x$ 轴上,因此 $y\neq0$。

(II)曲线 $C_1$ 为椭圆 $\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{3}=1$。直线 $l$ 过 $B(1,0)$ 且不是 $x$ 轴,可设为
$x=my+1\quad(m\in\mathbb R)$。
代入 $3x^2+4y^2=12$,得
$(3m^2+4)y^2+6my-9=0$。
设 $M(x_1,y_1)$、$N(x_2,y_2)$,则
$y_1+y_2=-\dfrac{6m}{3m^2+4}$,$y_1y_2=-\dfrac{9}{3m^2+4}$。
因此
$|MN|=\sqrt{1+m^2}\,|y_1-y_2|
=\sqrt{1+m^2}\sqrt{(y_1+y_2)^2-4y_1y_2}
=\dfrac{12(1+m^2)}{3m^2+4}$。

过 $B$ 且与 $l$ 垂直的直线为
$y=-m(x-1)$,即 $mx+y-m=0$。
点 $A(-1,0)$ 到该直线的距离
$d=\dfrac{|{-m}-m|}{\sqrt{m^2+1}}=\dfrac{2|m|}{\sqrt{m^2+1}}$。
圆半径为 $4$,所以弦长
$|PQ|=2\sqrt{16-d^2}
=2\sqrt{16-\dfrac{4m^2}{1+m^2}}
=\dfrac{4\sqrt{3m^2+4}}{\sqrt{1+m^2}}$。

由于 $MN\perp PQ$,且二者交于 $B$,四边形 $MPNQ$ 的面积等于两条垂直对角线乘积的一半:
$S=\dfrac12|MN||PQ|
=24\sqrt{\dfrac{1+m^2}{3m^2+4}}$。
令 $t=m^2\ge0$,则
$S=24\sqrt{\dfrac{t+1}{3t+4}}$。
函数 $\dfrac{t+1}{3t+4}$ 在 $[0,+\infty)$ 上递增,最小值为 $\dfrac14$,极限值为 $\dfrac13$。
所以 $S$ 的最小值为 $12$,且不能达到上界 $8\sqrt3$。
故面积取值范围为
$[12,8\sqrt3)$。

✅ 来源:2016年 · 全国 · 2016_新课标 I 卷 (2016·理) · 第 20 题 · 本题已通过全部自动发布校验

觉得理解了?

可以再试一道相同方法、不同题面的题,确认是否真正掌握。

题目指纹

这道题真正考什么?

核心知识
圆锥曲线综合
核心考法
几何性质转代数联立消元设而不求
关键能力
应用Free-response
最容易错
定义域忽略端点遗漏
difficulty
Differentiating
先及格路线 · 圆锥曲线综合 · 高难题

如果目标是先及格,这道题现在可以先放。

先把常见基础得分点练稳,再回来处理综合题。

这类题还想多练几道?

按本题考点(圆锥曲线综合)一句话出一份真题练习卷或讲义,先看题目再生成 PDF,打印出来做。

同类专题与考点

返回上层