已知双曲线 C : x ^ 2 a ^ 2 - y ^ 2…——2022 高考数学第 21 题答案解析

2022_新课标II Paper

2022 National Question 21 Free-response Differentiating
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21. 已知双曲线 $C : \frac { x ^ { 2 } } { a ^ { 2 } } - \frac { y ^ { 2 } } { b ^ { 2 } } = 1 ( a > 0 , b > 0 )$ 的右焦点为F(2,0),渐近线方程为 $y = \pm \sqrt { 3 } x$

(1)求C的方程;

(2)过F的直线与C的两条渐近线分别交于A,B两点,点 $P \big ( x _ { 1 } , y _ { 1 } \big ) , Q \big ( x _ { 2 } , y _ { 2 } \big )$ 在C上,且$x _ { 1 } > x _ { 2 } > 0 , y _ { 1 } > 0$ .过P且斜率为- $\phantom { 0 } { - \sqrt { 3 } }$ 的直线与过Q 且斜率为 $\sqrt { 3 }$ 的直线交于点M.从下面①②③中选取两个作为条件,证明另外一个成立:

①M在AB 上;②PQ AB∥ ;③| $M A | { = } | M B |$

注:若选择不同的组合分别解答,则按第一个解答计分.

Answer key

(1) $x ^ { 2 } - \frac { y ^ { 2 } } { 3 } = 1$; (2) 见解析

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(1) 右焦点为 $F(2,0)$,故 $c=2$。双曲线渐近线为 $y=\pm\dfrac ba x$,已知为 $y=\pm\sqrt3x$,所以 $\dfrac ba=\sqrt3$,即 $b=\sqrt3a$。又 $c^2=a^2+b^2$,于是
$$4=a^2+3a^2=4a^2,$$
得 $a=1$,$b=\sqrt3$。因此
$$C:x^2-\frac{y^2}{3}=1.$$

(2) 下面证明①②③中任意两个成立,均可推出第三个成立。

设 $M(x_0,y_0)$。先说明直线 $AB$ 可设为 $y=k(x-2)$。若所选条件含②,则因 $x_1>x_2$,$PQ$ 不竖直,故与之平行的 $AB$ 不竖直;若所选条件为①③,假设 $AB$ 竖直,则 $A(2,2\sqrt3)$,$B(2,-2\sqrt3)$。由 $|MA|=|MB|$ 知 $M$ 在 $x$ 轴上,又 $M\in AB$,故 $M(2,0)$。此时过 $M$ 且斜率分别为 $-\sqrt3$、$\sqrt3$ 的直线为 $y=\pm\sqrt3(x-2)$,代入双曲线均得 $x=\dfrac54$,与 $x_1>x_2$ 矛盾。因此 $AB$ 不竖直。又 $AB$ 与两条渐近线有两个不同交点,所以 $k\ne0$ 且 $k^2\ne3$。

条件① $M\in AB$ 等价于
$$y_0=k(x_0-2)\iff ky_0=k^2(x_0-2).$$

求条件③的代数形式。两条渐近线可合并为 $3x^2-y^2=0$。与 $y=k(x-2)$ 联立:
$$(3-k^2)x^2+4k^2x-4k^2=0.$$
设 $A,B$ 的横坐标分别为 $x_A,x_B$,则
$$\frac{x_A+x_B}{2}=\frac{2k^2}{k^2-3}.$$
记 $AB$ 中点为 $N(x_N,y_N)$,则
$$x_N=\frac{2k^2}{k^2-3},\qquad y_N=k(x_N-2)=\frac{6k}{k^2-3}.$$
$|MA|=|MB|$ 等价于 $M$ 在 $AB$ 的垂直平分线上,即
$$(x_0-x_N)+k(y_0-y_N)=0,$$
所以
$$x_0+ky_0=x_N+ky_N=\frac{8k^2}{k^2-3}.$$

求条件②的代数形式。直线 $PM$ 斜率为 $-\sqrt3$,故
$$y+\sqrt3x=y_0+\sqrt3x_0=:u.$$
代入 $3x^2-y^2=3$,即 $(\sqrt3x+y)(\sqrt3x-y)=3$,得
$$x_1=\frac{1}{2\sqrt3}\left(u+\frac3u\right).$$
直线 $QM$ 斜率为 $\sqrt3$,故
$$y-\sqrt3x=y_0-\sqrt3x_0=:v,$$
同理得
$$x_2=-\frac{1}{2\sqrt3}\left(v+\frac3v\right).$$
其中 $uv=y_0^2-3x_0^2\ne0$。于是
$$x_1-x_2=\frac{y_0}{\sqrt3}\left(1+\frac{3}{uv}\right).$$
又由
$$y_1-y_0=-\sqrt3(x_1-x_0),\qquad y_2-y_0=\sqrt3(x_2-x_0),$$
得
$$y_1-y_2=-\sqrt3(x_1+x_2-2x_0).$$
并且
$$x_1+x_2-2x_0=-x_0\left(1+\frac{3}{uv}\right).$$
因为 $x_1>x_2$,上述因子不为 $0$,且 $y_0\ne0$。因此 $PQ$ 的斜率
$$m=\frac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=\frac{3x_0}{y_0}.$$
故 $PQ\parallel AB$ 等价于
$$m=k\iff ky_0=3x_0.$$

综上,三个条件分别化为
$$\text{①'}\ ky_0=k^2(x_0-2),$$
$$\text{②'}\ ky_0=3x_0,$$
$$\text{③'}\ x_0+ky_0=\frac{8k^2}{k^2-3}.$$

若①'、②'成立,则 $k^2(x_0-2)=3x_0$,解得
$$x_0=\frac{2k^2}{k^2-3},\qquad ky_0=3x_0=\frac{6k^2}{k^2-3}.$$
于是
$$x_0+ky_0=\frac{8k^2}{k^2-3},$$
即③'成立。

若①'、③'成立,令 $t=ky_0$,则 $t=k^2(x_0-2)$,且
$$x_0+t=\frac{8k^2}{k^2-3}.$$
代入得
$$x_0+k^2(x_0-2)=\frac{8k^2}{k^2-3},$$
解得
$$x_0=\frac{2k^2}{k^2-3}.$$
于是
$$t=k^2(x_0-2)=\frac{6k^2}{k^2-3}=3x_0,$$
即②'成立。

若②'、③'成立,则 $ky_0=3x_0$,代入③'得
$$x_0+3x_0=\frac{8k^2}{k^2-3},$$
所以
$$x_0=\frac{2k^2}{k^2-3}.$$
于是
$$ky_0=3x_0=\frac{6k^2}{k^2-3}=k^2(x_0-2),$$
即①'成立。

因此,①②③中任选两个作为条件,另一个均可被证明成立。

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