椭圆上的点到直线距离最值问题

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  在解析几何中,椭圆上的点到直线的最短(长)距离或求动点到定直线的最短(长)距离,是我们经常遇到的问题,要解决它可以从多个方面入手.如归结为数形结合判别式法、参数方程法和柯西不等式法,以下我们举例说明.
  数形结合判别式法
  例1 求椭圆[x24+y212=1]上一点到直线l∶y=x-5的距离的最小值.
  分析 作出直线[l]及椭圆(如图),观察图形,可以发现,利用平行直线与椭圆只有一个交点,可以求得相应的最小距离.
  [F1][F][O][x][y][y=x-5]解 如图,虚线为与椭圆相切且与直线[y=x-5]平行的直线,而此直线与[y=x-5]之距即为所求.
  设虚线的直线方程为y=x+b,
  [∴x24+y212=1,y=x+b.]
  化简得[4x2+2bx+b2-12=0].
  ∵相切,
  ∴Δ=0.
  ∴b=±4,由图可知b=-4,
  [∴]图中两直线之距为[d=-4+52=22].
  [∴dmin=22.]
  点拨 数形结合判别式法用到了直线与椭圆位置关系的相关知识,即:联立椭圆方程与直线方程得到的一元二次方程判别式等于0时,直线与椭圆相切,然后两平行直线间的距离即为椭圆上的点到直线的最短(长)距离. 此方法的优点是用图形的直观化难为易,化抽象为具体,从而达到简洁明了的解题效果. 能提高数形结合的灵活性,有助于思维能力的培养,有利于解题能力的提高.
  [参数方程法]
  例2 已知定点Q(0,-4),P(6,0),动点C在椭圆[x29+y24=1]上运动,求[△QPC]面积的最大值和最小值.
  分析 椭圆[x2a2+y2b2=1(a>b>0)]的参数方程是[x=acosθ,y=bsinθ](θ为参数,且0≤θ<2π),利用椭圆参数方程研究椭圆问题时,椭圆上的点的坐标可记作[(acosθ,bsinθ)].
  解 依题设易求得PQ的方程为
  2x-3y-12=0,|PQ|=[213],
  已知椭圆的参数方程为[x=acosθ,y=bsinθ](θ为参数,且0≤θ<2π),
  则椭圆上点[C(3cosθ,2sinθ)]到直线PQ的距离
  [d=6cosθ-6sinθ-1213=62sin(π4-θ)-1213].
  显然,当[θ=34π]时,
  d最大,且[d最大值=62+1213],
  此时[SΔPQC]的最大值是
  [12×d最大值×|PQ|][=12×62+1213×213][=12+62],
  当[θ=74π]时,d最短,[d最小值=12-6213],
  此时[SΔPQC]的最小值为[12-62].
  点拨 参数方程法将点到直线的距离转化为求三角函数问题,通过辅助角公式求三角函数的最值. 方法的优点是把椭圆问题划归为我们所熟知的三角函数问题,进而避免了复杂的运算,并使解题过程得到优化.
  [柯西不等式法]
  例3 在已知椭圆[x24+y29=1]上求一点P,使得P到直线[3x+4y+20=0]的距离[d]取最大值.
  [x][P][D][y][O]分析 像这种类型的题目用常规方法来解较为繁琐,假如巧用柯西不等式,问题会变得比较简单.二维柯西不等式:若[a,b,c,d]都是实数,则[(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2],当且仅当[ad=bc]时,等号成立.
  解 设[P(x0,y0),则d=3x0+4y0+205],
  由柯西不等式得:
  [∴(3x0+4y0)2=(6?x02+12?y03)2≤(62+122)(x204+y209)=180.]
  [∴-65≤3x0+4y0≤65,]
  [∴20-65≤3x0+4y0+20≤20+65.]
  [∴20-655≤3x0+4y0+205≤20+655.]
  [即20-655≤d≤20+655.]
  等号成立[?y0=3x0].
  联立[x204++y209=1,y0=3x0,]
  [解得x0=255,y0=655或x0=-255,y0=-655.]
  验证可知,点[(255,655)]到直线的距离达到最大,
  [dmax=20+655].
  点拨 柯西不等式法,另辟蹊径用不等式的方法解决函数的最值问题,此方法的不足是柯西不等式属于选修内容,同学们掌握起来有一点的难度.
  总之,椭圆上的点到直线的最值问题,既可以用代数方法,也可以用几何方法,当然也可以用到数形结合方法和不等式方法. 而要掌握这些方法,就需要我们在平时学习中不断积累学习经验.
其他文献
E-钙黏素和CD44V6的异常表达在恶性肿瘤中比较常见,有研究表明,其表达水平与肿瘤预后有关.本研究利用免疫组化方法联合检测胆管癌及胆管良性疾病患者的E-钙黏素和CD44V6的表达,探讨E-钙黏素、CD44V6的表达与胆管癌的生物学行为及其预后的关系。