冷启动:第 (Ⅰ) 问三行做完,第 (Ⅱ) 问先数清有几个自由度
(Ⅰ) 先看清长轴在哪个轴上
题面写的是
C1: a2y2+b2x2=1(a>b>0),
y2 在 a2 底下。这一眼必须看准:大的那个分母跟着谁,长轴就沿哪个轴,焦点也在那个轴上。所以这道题里长轴沿 y 轴、焦点是 (0,±c)——把它当成横着的椭圆,下面每一句都会错。
两句条件各兑现一次:
① 右顶点 A(1,0)。 它是短半轴的端点,故 b=1。
② 过焦点且垂直长轴的弦长为 1。 长轴沿 y 轴,所以这条弦是水平的,过 (0,c)。把 y=c 代进方程:
x2=b2(1−a2c2)=b2⋅a2a2−c2=a2b4,弦长=2∣x∣=a2b2.
于是 a2b2=1,代 b=1 得 a=2,满足 a>b>0。
4y2+x2=1
(Ⅱ) 三条路共用的那半道题
设切点 P(t,t2+h)。由 (xn)′=nxn−1 得 y′=2x,所以 C2 在 P 处的切线斜率是 y′x=t=2t,切线
MN: y=2tx−t2+h.
注意这里有两个活字母。 h 决定抛物线的高低,t 决定切点在抛物线上的位置,两者互不牵连——是两个自由度。题目给的中点条件只是一个方程,于是 (t,h) 在平面上扫出一条曲线,「求 h 的最小值」问的就是这条曲线上 h 能压到多低。
另一半中点是现成的:由 A(1,0) 与 P(t,t2+h),
x4=2t+1(线段 PA 的中点横坐标).
这道题最大的坑就埋在这里。 把「两个中点横坐标相等」解出来,得到的只是一句条件句:若那条弦存在,中点就对得上。至于切线与椭圆到底有没有两个不同的交点,是另一件事,必须单独验一遍。少了这一道回验,h 会白白多出 h≤−3 一整段。下面三条路的分水岭,全在「这一道怎么验」。

解法一:联立后用韦达写中点,两道判别式各管一半
怎么想到的。 中点横坐标就是两根之和的一半,而两根之和由联立后那条二次方程的系数直接给出——根本不必把 M、N 解出来。这是圆锥曲线里最标准、也最不用动脑筋的一条路。
① 联立。 椭圆方程两边乘 4 写成 4x2+y2−4=0,把切线代进去:
4x2+(2tx−t2+h)2−4=0⟺4(1+t2)x2−4t(t2−h)x+(t2−h)2−4=0.
② 有两个不同交点 ⟺Δ1>0。 记 A0=4(1+t2)、B0=−4t(t2−h)、C0=(t2−h)2−4,
Δ1=B02−4A0C0=16[4+4t2−(t2−h)2]=16[−t4+2(h+2)t2−h2+4].
③ 中点横坐标。 由两根之和 x1+x2=−A0B0,
x3=2x1+x2=2(1+t2)t(t2−h).
④ 兑现题目的条件 x3=x4。
2(1+t2)t(t2−h)=2t+1⟹t3−ht=t3+t2+t+1⟹t2+(1+h)t+1=0.(∗)
⑤ (∗) 关于 t 必须有实根。 否则连一个合法的切点都找不到。故
Δ2=(1+h)2−4⩾0⟹h⩾1 或 h⩽−3.
这里是 ⩾,不是 >。 我们要的只是「存在一个 t」,重根照样是根,不需要两个不同的 t。把它写成 Δ2>0 会当场得到 h>1,最小值就没了——而这道题的最小值恰恰取在重根 t=−1 上,一字之差直接丢掉答案。
⑥ 再用 Δ1 砍掉 h⩽−3。 当 h⩽−3 时 h+2⩽−1<0、4−h2⩽−5<0,于是
16Δ1=⩽0(−t4)+⩽02(h+2)t2+<0(4−h2)<0,
三项没有一个是正的,且最后一项严格为负,故 Δ1>0 不可能成立——h⩽−3 这一段是空的。只剩 h⩾1。
⑦ 下界要验得到。 h=1 代进 (∗) 得 t2+2t+1=0,即 t=−1;再代回 Δ1:
Δ1=16[−1+2×3×1−1+4]=16×8=128>0,
弦真的存在。所以 h 的最小值是 1。
这条路的代价。 两道判别式管的是两件不同的事:Δ2 管「切点 t 存不存在」,Δ1 管「弦 MN 存不存在」。把它们混成一道,或者只写一道,是这道题最常见的丢分方式。
解法二:点差法一步写出中点关系,参变分离读出下界
怎么想到的。 解法一为了取一个中点横坐标,把整条二次方程都展开了一遍。可中点弦本来就有专门的工具:点差法把「弦的斜率」与「中点坐标」直接捆在一条式子里,一次减法就完事,Δ1 那一串也不用写出来。
① 点差。 设 M(x1,y1)、N(x2,y2),中点 (x0,y0)。两点都在椭圆上:
4y12+x12=1,4y22+x22=1.
相减、两个平方差各自分解:
(x1+x2)(x1−x2)+4(y1+y2)(y1−y2)=0.
代 x1+x2=2x0、y1+y2=2y0,并记弦的斜率 k=x1−x2y1−y2(这里 k=2t,就是切线的斜率),整理得
4x0+ky0=0.(中点弦关系)
写成乘法形式、而不是 k=−y04x0,是有讲究的:这道题取到最小值时中点恰好是原点,y0=0,除法当场失效,乘法形式却照样成立。
② 把两条已知代进去。 中点在切线上,故 y0=2tx0−t2+h;而题目给的正是 x0=x4=2t+1,于是
y0=2t⋅2t+1−t2+h=t+h.
代进中点弦关系 4x0+2ty0=0:
2(t+1)+2t(t+h)=0⟹t2+(1+h)t+1=0,
与解法一的 (∗) 逐字相同。两条路在这里合流。
③ 点差法算完必须回验中点在曲线内。 点差只用了「两个点都在椭圆上」,压根没有用到「这两个点真的存在」——把任意一条直线塞进去,它都会给你一个形式上的答案。补验的判据很短:
弦的中点必须落在椭圆内部。
它与 Δ1>0 是同一件事:把联立所得的 F(x)=A0x2+B0x+C0(A0>0,系数见解法一 ①)在它的对称轴处取值。这条对称轴的横坐标 −2A0B0 正是解法一 ③ 的 x3,而它不需要预设交点存在就写得出来——由题目条件,它就等于这里的 x0。一方面 F(x0)=−4A0Δ1;另一方面把椭圆方程写成 4x2+y2−4=0,直接代入即得 F(x0)=4x02+y02−4,也就是椭圆方程左边(乘过 4 的那一版)在中点处的值。故
Δ1>0⟺4x02+y02−4<0⟺x02+4y02<1.
由 (∗) 知 t=0(t=0 代进去得 1=0),且 h=−tt2+t+1,于是
x0=2t+1,y0=t+h=−tt+1,
代进「在内部」:
4(t+1)2+4t2(t+1)2<1⟺(t+1)2(t2+1)<4t2.(存在)
④ 这一条把 t>0 整个筛掉。 设 t>0。由基本不等式
(t+1)2⩾4t,t2+1⩾2t,
两式左右两边都是正数,可以相乘:(t+1)2(t2+1)⩾8t2>4t2,与(存在)矛盾。所以只可能 t<0——这一句同时替掉了解法一里对 h⩽−3 的那段分类讨论。
⑤ 参变分离。 (∗) 两边同除以 t(已知 t=0),把 h 单独拎到一边:
h=−(t+t1)−1.
右边是一条对勾函数。t<0 时令 s=−t>0,则 t+t1=−(s+s1)⩽−2(基本不等式,s=1 取等),于是
h⩾2−1=1,
等号当且仅当 s=1,即 t=−1。
⑥ 等号必须验得到。 t=−1 代进(存在):左边 (t+1)2(t2+1)=0×2=0,右边 4t2=4,0<4 成立——弦真的存在。故 h 的最小值是 1。
若只写到 ⑤ 就收尾,等于默认「取等那一点一定配得出图形」。这道题恰好配得出,但同一句话换一道题就会把答案写错:t+t1⩽−2 给的只是必要条件。
解法三:把椭圆压成圆——中点就是圆心到弦的垂足
怎么想到的。 中点弦在圆里是最简单的:圆心到弦作垂线必平分弦,所以中点就是垂足,一行写完。而椭圆不过是圆被竖着拉长过一次,做一次压缩就还原成圆;压缩保直线、保中点,而且这里只压 y,横坐标一动不动——题目问的又恰好是横坐标。天然合拍。
① 压。 令
X=x,Y=2y.
椭圆 4y2+x2=1 当场变成单位圆 X2+Y2=1。这是线性变换,直线仍是直线、中点仍是中点;又因为 X=x,「两个中点的横坐标相等」这句话在新图里原样成立,不用改写。
② 新图里的三样东西。
-
A(1,0)↦A′(1,0),P(t,t2+h)↦P′(t,2t2+h),故 P′A′ 的中点横坐标仍是 2t+1。
-
切线 y=2tx−t2+h 变成
ℓ: Y=tX+c,c=2h−t2.
-
M、N 变成单位圆上的两点,弦 M′N′ 的中点 Q 就是原点到 ℓ 的垂足。
③ 垂足一行就有。 先设 t=0,过原点作 ℓ 的垂线 Y=−tX,与 ℓ 联立:
tX+c=−tX⟹X=1+t2−tc,Q=(1+t2−tc, 1+t2c).
(t=0 不必另算也不必回避:那时切线水平,弦的中点就是 (0,c),横坐标 0;代进下面 ④ 的条件得 0=21,不成立。所以 t=0 本来就出局,上式对剩下的 t 全部适用。)
④ 兑现条件。 1+t2−tc=2t+1,即 −2tc=(t+1)(1+t2)。代 c=2h−t2:
t3−ht=t3+t2+t+1⟹t2+(1+h)t+1=0,
又是 (∗)。三条路在同一个方程上会师。
⑤ 存在性在圆里就是一句话:圆心到弦的距离小于半径。
d(O,ℓ)=1+t2∣c∣<1⟺c2<1+t2.
由 ④ 反解 c=−2t(t+1)(1+t2),代入并两边约去正数 1+t2:
4t2(t+1)2(1+t2)2<1+t2⟺(t+1)2(1+t2)<4t2,
与解法二的(存在)逐字相同。左边在 t>0 时不小于 8t2,故必有 t<0。
⑥ 从 (∗) 的两根读出 h。 先要有实根:Δ2=(1+h)2−4⩾0。有了实根,注意 (∗) 的常数项是 1,故两根之积等于 1——两根同号,而且互为倒数。⑤ 已经要求其中有一个是负的,于是两根都为负,两根之和
−(1+h)<0⟹h>−1.
把它与 Δ2⩾0 给的「1+h⩾2 或 1+h⩽−2」一交,只剩
1+h⩾2⟹h⩾1.
h=1 时两根重合于 t=−1,代进 ⑤ 的判据得 0<4,成立。故 hmin=1。
这条路省下的与欠下的。 省下的是两处展开:中点不用联立(垂足一行)、存在性不用算 Δ1(距离比半径)。欠下的是必须记清压缩保什么:保直线、保中点、保共线与定比、保面积之比,但不保长度与角度。这道题问的恰好是横坐标,一压到底都合法;若题目改问 ∣MN∣ 或某个夹角,压完还得再还原回去。