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试题已知抛物线C:y2=2x的焦点为F,平行于x轴的两条直线l1,l2分别交C于A,B两点,交C的准线于P,Q两点.(Ⅰ)若F在线段AB上,R是PQ的中点,证明:AR∥FQ;(Ⅱ)若△PQF的面积是△ABF的面积的两倍,求AB中点的轨迹方程.
这是2016年全国卷Ⅲ理科第20题,我们首先给出试题的一种新解法.
别解设直线AB:x=my t与C:y2=2x相交于A(y212,y1),B(y222,y2),由x=my t
y2=2x得y2-2my-2t=0……①.
(Ⅰ)若F在线段AB上,则t=12,①式变为y2-2my-1=0,则y1y2=-1.
于是R(-12,y1 y22),即R(-12,y1-1y12),即R(-12,y21-12y1),则AR=-(y21 12,y21 12y1);
Q(-12,y2)即Q(-12,-1y1),F(12,0) ,则FQ=-(1,1y1).由AR=y21 12FQ得AR∥FQ;
(Ⅱ)因为S△PQF=12PQ=12y1-y2,S△ABF=12t-12y1-y2,由条件得t-12=12,则t=1或t=0(舍),于是①式变为y2-2my-2=0.设AB中点为M(x0,y0),则y0=m,
x20=m2 1,
消去m得x0=y20 1,即AB中点的轨迹方程为y2=x-1.
通过探究我们发现:试题(Ⅰ)结论对于一般圆锥曲线都成立,得到圆锥曲线焦点弦的一个共同性质,用三个命题给出,并且命题的证明用到了如下引理.
引理如果一条直线截三角形的两边(或两边的延长线)所得的对应线段成比例,那么这条直线平行于三角形的第三边 .(引理易证,过程从略).
命题1如图1,已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,过F作直线交C于A,B两点,过A,B分别作C的准线x=-p2的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
图1图2证明如图1,延长射线AR交BQ所在直线于点H,由条件得AP∥BH.由R是PQ的中点得AP=QH.由抛物线的定义得AF=AP,BF=BQ.在△ABH中,由BFFA=BQQH及引理得AR∥FQ.
命题2如图2,已知椭圆C:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的左(右)焦点为F,过F作直线交C于A,B两点,过A,B分别作C的左(右)准线x=-a2c(x=a2c)的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
证明如图2,当F为左焦点时,延长射线AR交BQ所在直线于点H,由条件得AP∥BH.由R是PQ的中点得AP=QH.设椭圆的离心率为e,由椭圆的第二定义得AF=eAP,BF=eBQ.在△ABH中,由BFFA=BQQH及引理得AR∥FQ.
当F为右焦点时,同理可证.
命题3已知双曲线C:x2a2-y2b2=1(a,b>0)的左(右)焦点为F,过F作直线交C的左(右)支于A,B两点,过A,B分别作C的左(右)准线x=-a2c(x=a2c)的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
命题3可以仿照命题2的证明方法证明.
这是2016年全国卷Ⅲ理科第20题,我们首先给出试题的一种新解法.
别解设直线AB:x=my t与C:y2=2x相交于A(y212,y1),B(y222,y2),由x=my t
y2=2x得y2-2my-2t=0……①.
(Ⅰ)若F在线段AB上,则t=12,①式变为y2-2my-1=0,则y1y2=-1.
于是R(-12,y1 y22),即R(-12,y1-1y12),即R(-12,y21-12y1),则AR=-(y21 12,y21 12y1);
Q(-12,y2)即Q(-12,-1y1),F(12,0) ,则FQ=-(1,1y1).由AR=y21 12FQ得AR∥FQ;
(Ⅱ)因为S△PQF=12PQ=12y1-y2,S△ABF=12t-12y1-y2,由条件得t-12=12,则t=1或t=0(舍),于是①式变为y2-2my-2=0.设AB中点为M(x0,y0),则y0=m,
x20=m2 1,
消去m得x0=y20 1,即AB中点的轨迹方程为y2=x-1.
通过探究我们发现:试题(Ⅰ)结论对于一般圆锥曲线都成立,得到圆锥曲线焦点弦的一个共同性质,用三个命题给出,并且命题的证明用到了如下引理.
引理如果一条直线截三角形的两边(或两边的延长线)所得的对应线段成比例,那么这条直线平行于三角形的第三边 .(引理易证,过程从略).
命题1如图1,已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,过F作直线交C于A,B两点,过A,B分别作C的准线x=-p2的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
图1图2证明如图1,延长射线AR交BQ所在直线于点H,由条件得AP∥BH.由R是PQ的中点得AP=QH.由抛物线的定义得AF=AP,BF=BQ.在△ABH中,由BFFA=BQQH及引理得AR∥FQ.
命题2如图2,已知椭圆C:x2a2 y2b2=1(a>b>0)的左(右)焦点为F,过F作直线交C于A,B两点,过A,B分别作C的左(右)准线x=-a2c(x=a2c)的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
证明如图2,当F为左焦点时,延长射线AR交BQ所在直线于点H,由条件得AP∥BH.由R是PQ的中点得AP=QH.设椭圆的离心率为e,由椭圆的第二定义得AF=eAP,BF=eBQ.在△ABH中,由BFFA=BQQH及引理得AR∥FQ.
当F为右焦点时,同理可证.
命题3已知双曲线C:x2a2-y2b2=1(a,b>0)的左(右)焦点为F,过F作直线交C的左(右)支于A,B两点,过A,B分别作C的左(右)准线x=-a2c(x=a2c)的垂线,垂足为P,Q两点.若R是PQ的中点,则AR∥FQ.
命题3可以仿照命题2的证明方法证明.