☉江蘇省常熟中學(xué) 曹正清

圓錐曲線的定值問題一直是高考數(shù)學(xué)的常見題型之一，也是備受命題者、老師與學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn)之一，難度一般為中等及中等偏上.圓錐曲線的定值問題充分體現(xiàn)出動(dòng)與靜的完美統(tǒng)一，是解析幾何知識(shí)的綜合與交匯問題，其背景生動(dòng)，內(nèi)容豐富，綜合性較強(qiáng)，趣味性也較強(qiáng)，充分將函數(shù)與解析幾何融為一體，要求有較強(qiáng)的綜合能力與應(yīng)變能力，充分考查學(xué)生的數(shù)學(xué)能力與素養(yǎng).

一、問題呈現(xiàn)

問題（2019屆江蘇省徐州市高三12月月考）如圖1所示，在平面直角坐標(biāo)系xOy中，過橢圓的左頂點(diǎn)A作直線l，與橢圓C和y軸正半軸分別交于點(diǎn)P，Q.

圖1

（1）若AP=PQ，求直線l的斜率；

（2）過原點(diǎn)O作直線l的平行線，與橢圓C交于點(diǎn)M，N，求證：為定值.

本題以橢圓為問題背景，通過巧妙設(shè)置以線段長度相等的條件來確定對(duì)應(yīng)的直線斜率，又以平行線的關(guān)系來巧妙設(shè)置直線MN，通過點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)點(diǎn)Q與直線MN的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而求證線段的比值為定值.背景簡單，立意新穎，思想豐富，知識(shí)融合，動(dòng)靜結(jié)合，實(shí)屬難得，具有非常好的學(xué)習(xí)、觀摩、研究、拓展的價(jià)值.

二、問題解決

解析：（1）分析1：設(shè)出點(diǎn)Q的坐標(biāo)，利用中點(diǎn)的坐標(biāo)公式確定點(diǎn)P的坐標(biāo)，代入橢圓C的方程確定相應(yīng)的參數(shù)值，再利用直線的斜率公式即可求解對(duì)應(yīng)的斜率.

方法1：依題意，橢圓C的左頂點(diǎn)A（-2，0），設(shè)Q（0，m）（m＞0），由AP=PQ，可得

代入橢圓

解得（負(fù)值舍去）.

所以直線l的斜率為

分析2：設(shè)出直線l的斜率，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)的直線方程，并與橢圓C的方程聯(lián)立，通過二次方程的轉(zhuǎn)化，利用根與系數(shù)的關(guān)系來確定點(diǎn)P的橫坐標(biāo)xP，利用線段的關(guān)系得到xP=-1，進(jìn)而得以求解對(duì)應(yīng)的斜率.

方法2：依題意，橢圓C的左頂點(diǎn)A（-2，0），

設(shè)直線l的斜率為k（k＞0），點(diǎn)P的橫坐標(biāo)為xP，

則直線l的方程為y=k（x+2）， ①

又橢圓

聯(lián)立①②得（4k2+1）x2+16k2x+16k2-4=0，

則，從而

因?yàn)锳P=PQ，所以xP=-1，

所以，解得（負(fù)值舍去）.

（2）分析1：先根據(jù)直線l的方程確定點(diǎn)Q的坐標(biāo)，利用兩點(diǎn)間的距離公式確定AQ，通過聯(lián)立方程組，并借助根與系數(shù)的關(guān)系，以及弦長公式分別求解AP與MN的值，代入對(duì)應(yīng)的比值關(guān)系式并化簡即可得以證明.

證法1：設(shè)直線l的斜率為k（k＞0），則直線l的方程為y=k（x+2），

令x=0，得y=2k，則Q（0，2k），

可得

聯(lián)立方程組消元可得

則

可得

由題可知直線MN的方程為y=kx，

分析2：設(shè)出直線l的方程，通過聯(lián)立方程組，并借助根與系數(shù)的關(guān)系，結(jié)合點(diǎn)A的橫坐標(biāo)得到xP的關(guān)系式，同理得到xN的關(guān)系式，利用對(duì)應(yīng)的比值關(guān)系式所對(duì)應(yīng)的線段長度轉(zhuǎn)化為其在x軸上的射影的對(duì)應(yīng)比值，進(jìn)而加以化簡即可得以證明.

證法2：依題意，橢圓C的左頂點(diǎn)A（-2，0），

設(shè)直線l的斜率為k（k＞0），點(diǎn)P的橫坐標(biāo)為xP，

則直線l的方程為y=k（x+2）， ①

聯(lián)立①②得，（4k2+1）x2+16k2x+16k2-4=0，

設(shè)點(diǎn)N的橫坐標(biāo)為xN，則直線MN的方程為y=kx，③

通過取極端位置，以特殊情況來確定一般條件下的定值問題.利用點(diǎn)P與點(diǎn)Q重合的極端位置來加以分析，可以有效減少復(fù)雜的計(jì)算，得以簡單化證明.但在實(shí)際解決此類解答題時(shí)很少用，可以用來引導(dǎo)思維或者在解決小題時(shí)采用.

取極端位置，令P與Q重合，此時(shí)Q（0，1），可得AP·AQ=AQ2=4+1=5，

可得直線l的斜率為，直線MN的方程為

從而，即證.

三、問題探究

探究1：通過改變題目中的橢圓方程為一般形式，可得以下變式

變式1：如圖1所示，在平面直角坐標(biāo)系xOy中，過橢圓的左頂點(diǎn)A作直線l，與橢圓C和y軸正半軸分別交于點(diǎn)P，Q.過原點(diǎn)O作直線l的平行線，與橢圓C交于點(diǎn)M，N，試求證為定值

證明：依題意，橢圓C的左頂點(diǎn)A（-a，0），

設(shè)直線l的斜率為k（k＞0），點(diǎn)P的橫坐標(biāo)為xP，

則直線l的方程為y=k（x+a）， ①

令x=0，得y=ka，則Q（0，ka），

聯(lián)立①②得，（a2k2+b2）x2+2a3k2x+a2（a2k2-b2）=0，

又直線MN的方程為y=kx， ③

四、結(jié)論拓展

其實(shí)，把相應(yīng)的橢圓問題深入拓展到圓、雙曲線之中，也有類似的結(jié)論.

探究2：通過改變題目中的橢圓方程為圓的方程，可得以下結(jié)論

結(jié)論1：在平面直角坐標(biāo)系xOy中，過圓C：x2+y2=r2（r＞0）與x軸負(fù)半軸的交點(diǎn)A作直線l，與圓C和y軸分別交于點(diǎn)P，Q.過原點(diǎn)O作直線l的平行線，與圓C交于點(diǎn)M，N，則有為定值

具體的推導(dǎo)過程可以結(jié)合以上的解析思路加以分析與證明.

探究3：通過改變題目中的橢圓方程為雙曲線的方程，可得以下結(jié)論

結(jié)論2：在平面直角坐標(biāo)系xOy中，過雙曲線的左頂點(diǎn)A作直線l，與雙曲線C的另一支和y軸分別交于點(diǎn)P，Q.過原點(diǎn)O作直線l的平行線，與雙曲線C的兩支分別交于點(diǎn)M，N，則有為定值

具體的推導(dǎo)過程可以結(jié)合以上的解析思路加以分析與證明.

其實(shí)，在探究圓錐曲線中的定值問題時(shí)，往往可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)、直線、圓、圓錐曲線等知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律，從而加強(qiáng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的正確理解與掌握，有助于數(shù)學(xué)解題能力與應(yīng)用能力的提高，真正達(dá)到提升數(shù)學(xué)能力，拓展數(shù)學(xué)素養(yǎng)的目的.F