(本小题满分 13 分) 已知椭圆 C: x^ 2 a^…——2013 高考数学第 20 题答案解析

2013_退役省自主命题 (2013·理)

2013 全国 第 20 题 解答题 区分题
2013_退役省自主命题 (2013·理)

20.(本小题满分 13 分)
已知椭圆 $C: \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1(a>b>0)$ 的两个焦点分别为 $F_{1}(-1,0), F_{2}(1,0)$,且椭圆 $C$ 经过点 $P\left(\frac{4}{3}, \frac{1}{3}\right)$.
(I)求椭圆 $C$ 的离心率;
(II)设过点 $A(0,2)$ 的直线 $l$ 与椭圆 $C$ 交于 $M, N$ 两点,点 $Q$ 是线段 $M N$ 上的点,且 $\frac{2}{|A Q|^{2}}=\frac{1}{|A M|^{2}}+\frac{1}{|A N|^{2}}$,求点 $Q$ 的轨迹方程.

参考答案(I )$\frac{\sqrt{2}}{2}$;(II) $10(y-2)^{2}-3 x^{2}=18$,其中 $x \in\left(-\frac{\sqrt{6}}{2}, \frac{\sqrt{6}}{2}\right), y \in\left(\frac{1}{2}, 2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right]$.

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【答案】(I )$\frac{\sqrt{2}}{2}$;(II) $10(y-2)^{2}-3 x^{2}=18$,其中 $x \in\left(-\frac{\sqrt{6}}{2}, \frac{\sqrt{6}}{2}\right), y \in\left(\frac{1}{2}, 2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right]$.
【解析】(I)由椭圆定义知,

$$ 2 a=\left|P F_{1}\right|+\left|P F_{2}\right|=\sqrt{\left(\frac{4}{3}+1\right)^{2}+\left(\frac{1}{3}\right)^{2}}+\sqrt{\left(\frac{4}{3}-1\right)^{2}+\left(\frac{1}{3}\right)^{2}}=2 \sqrt{2} $$

所以 $a=\sqrt{2}$.
又由已知,$c=1$,
所以椭圆 $C$ 的离心率 $e=\frac{c}{a}=\frac{1}{\sqrt{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}$.
(II)由(I)知,椭圆 $C$ 的方程为 $\frac{x^{2}}{2}+y^{2}=1$
设点 $Q$ 的坐标为 $(x, y)$.
①当直线 $l$ 与 $x$ 轴垂直时,直线 $l$ 与椭圆 $C$ 交于 $(0,1)$、 $(0,-1)$ 两点,
此时点 $Q$ 的坐标为 $\left(0,2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right)$.
②当直线 $l$ 与 $x$ 轴不垂直时,设直线 $l$ 的方程为 $y=k x+2$,

因为 $M, N$ 在直线 $l$ 上,可设点 $M, N$ 的坐标分别为 $\left(x_{1}, k x_{1}+2\right),\left(x_{2}, k x_{2}+2\right)$,则 $|A M|^{2}=\left(1+k^{2}\right) x_{1}^{2},|A N|^{2}=\left(1+k^{2}\right) x_{2}^{2}$.
,$|A Q|^{2}=x^{2}+(y-2)^{2}=\left(1+k^{2}\right) x^{2}$.
由 $\frac{2}{|A Q|^{2}}=\frac{1}{|A M|^{2}}+\frac{1}{|A N|^{2}}$,得
$\frac{2}{\left(1+k^{2}\right) x^{2}}=\frac{1}{\left(1+k^{2}\right) x_{1}^{2}}+\frac{1}{\mid\left(1+k^{2}\right) x_{2}^{2}}$,即
$\frac{2}{x^{2}}=\frac{1}{x_{1}^{2}}+\frac{1}{x_{2}^{2}}=\frac{\left(x_{1}+x_{2}\right)^{2}-2 x_{1} x_{2}}{\left(x_{1} x_{2}\right)^{2}}$.

将 $y=k x+2$ 代入 $\frac{x^{2}}{2}+y^{2}=1$ 中,得

$$ \left(2 k^{2}+1\right) x^{2}+8 k x+6=0 $$

由 $\Delta=(8 k)^{2}-4 \times\left(2 k^{2}+1\right) \times 6>0$,得 $k^{2}>\frac{3}{2}$.
由②可知,$x_{1}+x_{2}=-\frac{8 k}{2 k^{2}+1}, x_{1} x_{2}=\frac{6}{2 k^{2}+1}$,
代入①中并化简,得

$$ x^{2}=\frac{18}{10 k^{2}-3} $$

因为点 $Q$ 在直线 $y=7 x+2$ 上,所以 $k=\frac{y-2}{x}$,代入(3)中并化简,得 $10(y-2)^{2}-3 x^{2}=18$.

由(3)及 $k^{2}>\frac{3}{2}$,可知 $0又 $\left(0,2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right)$ 满足 $10(y-2)^{2}-3 x^{2}=18$,故 $x \in\left(-\frac{\sqrt{6}}{2}, \frac{\sqrt{6}}{2}\right)$.
由题意,$Q$ 在椭圆 $C$ 内,所以 $-1 \leq y \leq 1$,
又由 $10(y-2)^{2}=18+3 x^{2}$ 有
$(y-2)^{2} \in\left[\frac{9}{5}, \frac{9}{4}\right)$ 且 $-1 \leq y \leq 1$,则 $y \in\left(\frac{1}{2}, 2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right]$
所以,点 $Q$ 的轨迹方程为 $10(y-2)^{2}-3 x^{2}=18$,其中 $x \in\left(-\frac{\sqrt{6}}{2}, \frac{\sqrt{6}}{2}\right)$,
$y \in\left(\frac{1}{2}, 2-\frac{3 \sqrt{5}}{5}\right]$
【考点定位】本小题主要考查直线、椭圆、曲线与方程等基础知识,考查推理论证能力、运算求解能力,考查数形结合、转化与化归、分类与整合等数学思想,并考查思维的严谨性。计算出错(整式、分式、根式运算中,在代入、变形、整理、化简诸环节出错);公式出错(一元二次不等式的解集公式、斜率公式、韦达定理等);概念出错(求轨迹方程时,忘记检验纯粹性)。

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