解析几何中的最小(最大)距离问题

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  在解析几何中,有一种有关距离的最小(或最大)的问题.有些同学遇到此类问题,常常不知道从何下手.实际上这类问题的规律是比较明显的.
  
  1.圆锥曲线上的点到某直线上的点的最小(最大)距离问题
  〖例题1〗设P是抛物线y=x2上的点,若P点到直线2x-y-4=0的距离最小,求P点的坐标.
  解法一:设P点坐标为(x0,x02),由点到直线的距离公式得P点到直线2x-y-4=0的距离是:
  d= = = .
  可见:当x0=1时,d取最小值.此时P点坐标为(1,1).
  解法二:如图,平移2x-y-4=0这条直线到与抛物线相切,则切点为抛物线上到直线距离最小的点P.
  
  设平移后的切线方程为:2x-y+D=0.由方程组:y=2x+Dy=x2得:x2-2x-D=0判别式,所以D=-1.所以x=1,所以P点坐标为(1,1).
  解法三:设P(x0,y0),因为y′=2x,所以过P点的切线斜率k=2x0=2,所以x0=1,y0=x02=0,故P点坐标为(1,1).
  点评:解法一从点到直线的距离公式出发,利用曲线方程是y=x2,设曲线上的点坐标为(x0,x02),达到用一个字母设出点的两个坐标的目的,将距离转化为点的横坐标的一元函数,利用函数最值的知识将问题解决.也非常明显地体现了解析几何的特点——用代数的方法解决几何问题.解法二则将问题转化为交点个数的问题,将一个比较生疏的问题转化为一个常见问题来解决.解法三在解法二的基础上引用了导数知识,非常轻易的解决了问题,体现了综合运用知识的目的.
  
  2.圆锥曲线上的点到某定点的最小(最大)距离问题
  〖例题2〗设P是抛物线y=x2上的点,若P点到点Q(0,2)的距离最小,求P点的坐标.
  解法一:设P点坐标为(x0,x02),由两点间的距离公式得P点到点Q的距离的平方是:
  d2=x02+(x02-2)2=x04-3x02+4=(x02- )2+ ,可见当x02= ,x0=± 时,d取最小值.此时P点坐标为( , )或(- , ).
  解法二:如图:设以点Q为圆心的圆与抛物线相切,则切点就是所求的P点.
  
  设圆的半径为r,圆的方程为x2+(y-2)2=r2,由方程组:y=x2x2+(y-2)2=r2得y+(y-2)2=r2,即y2-3y+4-r2=0,
  由判别式Δ=9-4(4-r2)=4r2-7=0得r2= ,此时,
  y2-3y+ =0,y= ,x=± ,
  所以P点坐标为或( , )或(- , ).
  由于抛物线方程的特殊性,当一点在抛物线上时,设点是比较容易的,但如果已知的点在椭圆或双曲线上时,设点时需要技巧.
  〖例题3〗设P是椭圆 +y2=1上的点,若P点到点Q(0,2)的距离最大,求P点的坐标.
  分析:如果设P点的横坐标为x0,则其纵坐标这y0= ± ,下一步的计算会困难很大,此时,可利用三角公式sin2θ+cos2θ=1,令 =cos2θ,y2=sin2θ得到椭圆的参数方程:x=2cosθ,y=sinθ.
  解法一:设P点的坐标为(2cosθ,sinθ),则P点到Q点的距离的平方为
  d2=4cos2θ+(sinθ-2)2=4cos2θ+sin2θ-4sinθ+4=5+3cos2θ-4sinθ
  =5+3(1-sin2θ)-4sinθ=8-(3sin2+4sinθ),可见当sinθ=- 时,d取最大值.此时cosθ=± ,P点坐标为( ,- )或(- ,- ).
  解法二:如图,当以Q点为圆心的圆与椭圆外相切时,切点应是所求的P点,设圆的半径为r,圆的方程为x2+(y-2)2=r2,由方程组:x2+4y2=4x2+(y-2)2=r2
  
  得4y2-(y-2)2=4-r2,即3y2+4y-8+r2=0,
  由判别式Δ=16-12(-8+r2)=-3r2+28=0得r2= ,此时,3y2+4y+ =0,y=- ,x=± ,
  所以P点坐标为( , - )或(- ,- ).
  
  3.圆上的点到某定直线或定点的最小(最大)距离问题
  〖例题4〗设点P是圆(x-1)2+(y-2)2=1上的点,若点P到直线2x-y-4=0的距离最小,求P点的坐标.
  分析:如图,由于圆的特点,此类问题都转化为圆心到定直线或定点的最小(最大)距离问题,所求的点P就是过圆心与已知直线垂直的直线与圆的一个交点,该交点位于圆心和垂足之间.
  
  解:圆心为(1,2)点,过P点垂直于直线2x-y-4=0的直线方程是x+2y-5=0.
  由方程组x+2y-5=0(x-1)2+(y-2)2=1得x=1+ ,y=2- ,所以P点从标为(1+ ,2- ).
  
  注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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