在直角坐标系 x O y 中,曲线 C _ 1 的参数方程…——2016 高考数学第 23 题答案解析

2016_新课标III Paper

2016 National Question 23 Free-response Differentiating
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23.在直角坐标系 $\mathsf { x O y }$ 中,曲线 $\mathsf C _ { 1 }$ 的参数方程为 $\left\{ \begin{array} { l l } { \mathbf { x } = \sqrt { 3 } \cos \alpha } \\ { \mathbf { y } = \sin \alpha } \end{array} \right.$ (α为参数),以坐标原点为极点,以x轴的正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线 ${ \sf C } _ { 2 }$ 的极坐标方程为 $\mathsf { \Gamma } \mathsf { \Gamma } \mathsf { \Gamma } \mathsf { \Gamma } \mathsf { \Gamma } ( \mathsf { \pmb { \theta } } + \frac { \pi } { \mathsf { \Delta } \mathsf { \Delta } \mathsf { \Omega } } ) \mathsf { \Omega } = 2 \sqrt { 2 } .$

(1)写出 $\mathsf C _ { 1 }$ 的普通方程和 $\mathsf { I C } _ { 2 }$ 的直角坐标方程;

②设点P在 $\mathsf C _ { 1 }$ 上,点Q在 ${ \mathsf { C } } _ { 2 } .$ 上,求 $| \mathsf { P Q } |$ 的最小值及此时P的直角坐标

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(1)由曲线 $C_1$ 的参数方程 $\begin{cases} x = \sqrt{3}\cos\alpha \\ y = \sin\alpha \end{cases}$,消去参数 $\alpha$。
因为 $\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1$,且 $\cos\alpha = \frac{x}{\sqrt{3}}$,$\sin\alpha = y$,
所以 $C_1$ 的普通方程为 $\frac{x^2}{3} + y^2 = 1$。

对于曲线 $C_2$,其极坐标方程为 $\rho\sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = 2\sqrt{2}$。
展开左边得:$\rho(\sin\theta\cos\frac{\pi}{4} + \cos\theta\sin\frac{\pi}{4}) = 2\sqrt{2}$,
即 $\rho(\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\theta + \frac{\sqrt{2}}{2}\cos\theta) = 2\sqrt{2}$,
化简得 $\rho\sin\theta + \rho\cos\theta = 4$。
由 $x = \rho\cos\theta, y = \rho\sin\theta$,代入上式得 $C_2$ 的直角坐标方程为 $x + y - 4 = 0$。

(2)点 $P$ 在椭圆 $C_1$ 上,点 $Q$ 在直线 $C_2$ 上,$|PQ|$ 的最小值即为椭圆上的点到直线 $x+y-4=0$ 的最小距离。

**方法一:参数法**
设 $P(\sqrt{3}\cos\alpha, \sin\alpha)$,则点 $P$ 到直线 $x+y-4=0$ 的距离为:
$$ d = \frac{|\sqrt{3}\cos\alpha + \sin\alpha - 4|}{\sqrt{1^2+1^2}} = \frac{|2(\frac{\sqrt{3}}{2}\cos\alpha + \frac{1}{2}\sin\alpha) - 4|}{\sqrt{2}} $$
利用辅助角公式,$\frac{\sqrt{3}}{2}\cos\alpha + \frac{1}{2}\sin\alpha = \sin(\alpha + \frac{\pi}{3})$,
所以 $d = \frac{|2\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) - 4|}{\sqrt{2}}$。
因为 $-1 \le \sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) \le 1$,所以 $-2 \le 2\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) \le 2$,
从而 $-6 \le 2\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) - 4 \le -2$。
故 $|2\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) - 4|$ 的最小值为 $2$(当 $\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) = 1$ 时取得)。
此时最小距离 $d_{\min} = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}$。
当 $\sin(\alpha + \frac{\pi}{3}) = 1$ 时,取 $\alpha + \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{2} + 2k\pi$,令 $\alpha = \frac{\pi}{6}$,
此时 $x_P = \sqrt{3}\cos\frac{\pi}{6} = \sqrt{3} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{3}{2}$,
$y_P = \sin\frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}$。
即点 $P$ 的坐标为 $(\frac{3}{2}, \frac{1}{2})$。

**方法二:几何法(平行切线)**
设与直线 $x+y-4=0$ 平行的直线方程为 $x+y+m=0$。
联立直线与椭圆方程:
$\begin{cases} x+y+m=0 \Rightarrow y = -x-m \\ \frac{x^2}{3} + y^2 = 1 \end{cases}$
代入消元得:$\frac{x^2}{3} + (-x-m)^2 = 1$,
整理得 $x^2 + 3(x^2 + 2mx + m^2) = 3$,
即 $4x^2 + 6mx + 3m^2 - 3 = 0$。
由直线与椭圆相切,判别式 $\Delta = 0$:
$\Delta = (6m)^2 - 4 \times 4 \times (3m^2 - 3) = 36m^2 - 48m^2 + 48 = 48 - 12m^2 = 0$,
解得 $m^2 = 4$,即 $m = \pm 2$。
两条切线分别为 $x+y+2=0$ 和 $x+y-2=0$。
直线 $C_2: x+y-4=0$ 与这两条平行线的距离分别为:
$d_1 = \frac{|-4 - 2|}{\sqrt{2}} = \frac{6}{\sqrt{2}} = 3\sqrt{2}$,
$d_2 = \frac{|-4 - (-2)|}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}$。
显然最小距离为 $\sqrt{2}$,对应的切线方程为 $x+y-2=0$(即 $m=-2$)。
将 $m=-2$ 代入方程 $4x^2 - 12x + 9 = 0$,即 $(2x-3)^2=0$,解得 $x=\frac{3}{2}$。
代入 $y = -x - m = -\frac{3}{2} - (-2) = \frac{1}{2}$。
故此时点 $P$ 的坐标为 $(\frac{3}{2}, \frac{1}{2})$。

综上,$|PQ|$ 的最小值为 $\sqrt{2}$,此时点 $P$ 的直角坐标为 $(\frac{3}{2}, \frac{1}{2})$。

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