圆锥曲线综合题中“三角形面积问题”的破解策略

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  摘 要:解析几何是初等数学与高等数学的纽带,它本身侧重于数形结合、形象思维,而它的解题过程则是代数的,综合性很强,解题的能力要求高,因此历来是高考的重要内容。分析近年来的高考数学试题,发现解析几何在高考试题中往往有一道解答题,而解析几何这道解答题一般是考查直线、圆与圆锥曲线的综合题以及与其他知识之间的综合。
  关键词:圆锥曲线综合题;破解;综合
  每个题一般设置了两个问,第一问一般考查曲线方程的求法,第二问主要涉及最值问题、定值问题、对称问题、面积问题等,这类问题综合性大,需灵活运用解析几何、平面几何、函数、三角知识等。而反观学生解答情况来看,相当多的毛病出现在运算上,究其原因,往往由于方法选择不当或运算不合理(策略意识差),造成中途搁浅或结果出错。因此,研究如何增强圆锥曲线综合题的解题策略意识,提高运算的速度和准确度,就显得很有必要和非常迫切。而圆锥曲线综合题在解答过程中涉及多个知识点或多个学科知识,并且解题思维方法具有多向性和灵活性,其目的重在测试思维能力和运用知识的能力。由于综合题的内容较为复杂,涉及面广,因此掌握基本问题的求解方法是解此类综合题的先决条件。本文将结合具体的案例谈谈圆锥曲线综合题中的基本问题“三角形面积问题”的破解策略,不当之处,敬请指正。
  1. 运用面积公式:S=12ah(a为底,h为高)
  这个三角形面积公式最常用,其中底边a通常用弦长公式求解,高h通常用顶点到底边所在直线的距离(点(x0,y0)到直线Ax By C=0的距离公式:d=|Ax0 By0 C|A2 B2)来求解。
  (14新课标1理)已知点A(0,-2),椭圆E:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的离心率为32,F是椭圆的右焦点,直线AF的斜率为233,O为坐标原点。
  (Ⅰ)求E的方程;(Ⅱ)设过点A的动直线l与E相交于P,Q两点,当△OPQ的面积最大时,求l的方程。
  解析:(Ⅰ)(解答过程略)故E的方程为x24 y2=1。
  (Ⅱ)当l⊥x轴时不合题意,故设l:y=kx-2,P(x1,y1),Q(x2,y2).将y=kx-2代入x24 y2=1得(1 4k2)x2-16kx 12=0。
  当△=16(4k2-3)>0,即k2>34时,x1,2=8k±24k2-34k2 1。
  从而|PQ|=k2 1|x1-x2|=4k2 1·4k2-34k2 1。
  又点O到直线PQ的距离d=2k2 1。
  所以△OPQ的面积S△OPQ=12d·|PQ|=44k2-34k2 1。
  设4k2-3=t,则t>0,S△OPQ=4tt2 4=4t 4t.因为t 4t≥4,当且仅当t=2,即k=±72时等号成立,且满足Δ>0。
  所以,当△OPQ的面积最大时,l的方程为y=72x-2或y=-72x-2
  2. 分割图形,化斜为直
  在处理几何图形时,我们可以对任意几何图形进行分割计算,以此达到简化计算的目的。因此,在求三角形面积时,就可以分割求解。
  原题展示:(2014年高考福建卷理19)已知双曲线E∶x2a2-y2b2=1(a>0,b>0)的两条渐近线分别l1∶y=2x,l2∶y=-2x。
  (1)求双曲线E的离心率;
  (2)如图,O为坐标原点,动直线l分别交直线l1,l2于A,B两点(A,B分别在第一,四象限),且△OAB的面积恒为8,试探究:是否存在总与直线l有且只有一个公共点的双曲线E?若存在,求出双曲线E的方程;若不存在,说明理由。
  解析:(1)略(2)由ba=2,双曲线E的方程为x2a2-y24a2=1。
  设直线l与x轴相交于点C。
  当l⊥x轴时,若直线l与双曲线E有且只有一个公共点,则|OC|=a,|AB|=4a,又因为△OAB的面积为8,所以12|OC|
  |AB|=8,∴12a·4a=8,∴a=2。
  此时双曲线E的方程为x24-y216=1。
  若存在滿足条件的双曲线E,则E的方程只能为x24-y216=1。
  以下证明:当直线l不与x轴垂直时,双曲线E∶x24-y216=1也满足条件.设直线l的方程为y=kx m,依题意,得k>2或k<-2。则C-mk,0,记A(x1,y1),B(x2,y2)。
  由y=2x
  y=kx m,得y1=2m2-k,同理得y2=2m2 k。
  由S△OAB=S△OAC S△OBC=12|OC||y1| 12|OC||y2|=12|OC||y1-y2|得,12-mk·2m2-k-2m2 k=8,即m2=4|4-k2|=4(k2-4)。
  由y=kx m
  x24-y216=1得,(4-k2)x2-2kmx-m2-16=0。因为4-k2<0,
  所以Δ=4k2m2 4(4-k2)(m2 16)=-16(4k2-m2-16),又因为m2=4(k2-4)。
  所以Δ=0,即l与双曲线E有且只有一个公共点。
  因此,存在总与l有且只有一个公共点的双曲线E,且E的方程为x24-y216=1。
  点评:上述三角形面积运算注意了化斜为直求面积,通过三角形的割补划分来求解,故使得运算大大简化,快速完成解题。若用点到直线的距离求高,并求弦长|AB|,再求面积,运算将非常繁琐。
  太棒了!这是学生由衷的感叹,性质与证明是他们在不断的探索中获得的,老师只是适时地引导,学生也在由浅入深中掌握了三角形面积的计算,唤起了学生的学习兴趣。
  反思:由特殊到一般,由直观猜想到推理论证,增强了学生解题的目标意识,避免了思维的盲目性,使得问题获得迅速、正确、合理的解决。学生也更加熟练地掌握了三角形的计算,收到了较好的教学效果。
  3. 运用解三角形中的面积公式:S=12absinC
  求解三角形的面积,可用三角形的两个边,以及这两个边的夹角进行计算。比如2014年高考福建卷理19,第(2)问运用此公式可得解法二如下:
  解析:(2)解法二:当直线l不与x轴垂直时,设直线l的方程为y=kx m,A(x1,y1),B(x2,y2)。依题意得k>2或k<-2。
  由y=kx m
  4x2-y2=0得(4-k2)x2-2kmx-m2=0,因为4-k2<0,Δ>0,所以x1x2=-m24-k2,又因为△OAB的面积为8,所以S△OAB=12|OA||OB|sin∠AOB=8,又易知sin∠AOB=45,所以25x12 y12x22 y22=8,化简得x1x2=4所以-m24-k2=4,即m2=4(k2-4)。又双曲线E的方程可设为x2a2-y24a2=1,由y=kx m
  x2a2-y24a2=1,得(4-k2)x2-2kmx-m2-4a2=0。
  因为4-k2<0,直线l与双曲线E有且只有一个公共点当且仅当Δ=4k2m2 4(4-k2)(m2 4a2)=0,即(k2-4)(a2-4)=0,所以a2=4,所以双曲线E的方程为x24-y216=1。
  当l⊥x轴时,由△OAB的面积等于8可得l:x=2,又易知l:x=2与双曲线E:x24-y216=1有且只有一个公共点。综上所述,存在总与l有且只有一个公共点的双曲线E,且E的方程为x24-y216=1。
  点评:运用解三角形的面积公式也能有效地处理三角形面积问题,但应注意夹角正弦的求解。
  总之,圆锥曲线综合题中三角形面积的求值常用的方法为以上三种。除此之外,三角形面积公式还有海伦公式以及向量形式、坐标形式的面积公式。这里就不再一一举例说明。同学们只要在平时的练习中多实践、多总结,则肯定能以简驭繁、事半功倍,实现优质高效的解题。
  作者简介:曾庆国,福建省晋江市,晋江市毓英中学。
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