浙江 2016 · 数学 q19

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2016 · 数学 q19 原卷截图(含答案)

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题面

19.(15分)(2016•浙江)如图,设椭圆C:x2a2+y2=1 (a>1)\frac{x^{2}}{a^{2}} + y^{2} = 1 \ ( a > 1 )

(Ⅰ)求直线y=kx+1被椭圆截得到的弦长(用a,k表示)

(Ⅱ)若任意以点A(0,1)为圆心的圆与椭圆至多有三个公共点,求椭圆的离心率的取值范围

答案

(Ⅰ)2a2∣k∣1+a2k21+k2\frac{2 a^{2} | k |}{1 + a^{2} k^{2}} \sqrt{1 + k^{2}}

(Ⅱ)0<e⩽220 < e \leqslant \frac{\sqrt{2}}{2}

本题的知识树

13 概念 · 3 公式 · 1 定理 · 2 题型 · 5 套路 · 3 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

圆心钉在上顶点:什么时候会冒出第四个公共点 · 最终答案:(Ⅰ)2a2∣k∣1+a2k21+k2\frac{2 a^{2} | k |}{1 + a^{2} k^{2}} \sqrt{1 + k^{2}} (Ⅱ)0<e⩽220 < e \leqslant \frac{\sqrt{2}}{2}

冷启动:先把「任意」这个字读对

椭圆是 x2a2+y2=1\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+y^{2}=1(a>1a>1),半短轴是 11, 所以 A(0,1)A(0,1) 恰好是椭圆的上顶点——它在椭圆上,这一点后面处处要用。

第(Ⅱ)问说的是:任意以 AA 为圆心的圆,与椭圆至多有三个公共点。 「任意」管的是半径:不管半径取多少,公共点都不超过三个。 它的否定不是「某个圆至多三个」,而是

∃ r>0, 以 A 为心、r 为半径的圆与椭圆有 4 个公共点.\exists\ r>0,\ \text{以 }A\text{ 为心、}r\text{ 为半径的圆与椭圆有 }4\text{ 个公共点} .

所以正确的打法是正难则反:先求出「会冒出第四个公共点」的 aa 的范围,再把它反过来。

在动手之前,先把公共点能怎么凑数清楚。椭圆关于 yy 轴对称,圆心 AA 又在 yy 轴上, 所以圆也关于 yy 轴对称,公共点关于 yy 轴成对出现。落在 yy 轴上的椭圆点只有两个:

  • (0,1)=A(0,1)=A 本身,它到圆心的距离是 00,半径为正的圆不会过它;
  • (0,−1)(0,-1),它到 AA 的距离是 22,只有半径恰为 22 的那个圆过它,且只贡献 11 个点。

于是公共点的个数只能是 00、11、22、33、44 这几种,而

有 4 个公共点  ⟺  存在两对不同的对称点  ⟺  左半椭圆上有两个不同的点到 A 等距.\text{有 }4\text{ 个公共点}\iff \text{存在两对不同的对称点}\iff \text{左半椭圆上有两个不同的点到 }A\text{ 等距} .

这一句翻译是全题的枢纽,两条解法都从它出发,只是接下来量化「等距」的工具不同。

解法一:把弦长写成斜率的函数,两点等距化成方程有解

(Ⅰ)第一步:联立,一根是现成的

A(0,1)A(0,1) 在椭圆上,而直线 y=kx+1y=kx+1 恰好过 AA,所以弦的一个端点就是 AA。

把 y=kx+1y=kx+1 代入 x2a2+y2=1\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+y^{2}=1:

x2a2+k2x2+2kx+1=1 ⟹ (1+a2k2)x2+2ka2x=0.\frac{x^{2}}{a^{2}}+k^{2}x^{2}+2kx+1=1 \ \Longrightarrow\ \left(1+a^{2}k^{2}\right)x^{2}+2ka^{2}x=0 .

常数项为零,一根是 x1=0x_{1}=0(就是 AA),另一根

x2=−2ka21+a2k2.x_{2}=-\frac{2ka^{2}}{1+a^{2}k^{2}} .

(Ⅰ)第二步:弦长公式

 1+k2 ∣x1−x2∣=2a2∣k∣1+a2k21+k2 \boxed{\ \sqrt{1+k^{2}}\,\left|x_{1}-x_{2}\right| =\frac{2a^{2}|k|}{1+a^{2}k^{2}}\sqrt{1+k^{2}}\ }

记这个值为 d(k)d(k)。注意它就是 ∣AP∣|AP|,其中 PP 是直线与椭圆的另一个交点。

(Ⅱ)第一步:把「两点等距」写成两个斜率的方程

先把「公共点不少于 44 个」和「左半椭圆上有两点等距」对起来,这一步不能跳。

椭圆关于 yy 轴对称,而圆心 A(0,1)A(0,1) 恰好落在这条对称轴上,所以点 M(x,y)M(x,y) 到 AA 的距离与它的镜像 M′(−x,y)M'(-x,y) 到 AA 的距离相等:不在 yy 轴上的公共点必定成镜像对出现,个数是偶数。而落在 yy 轴上的公共点只可能是 (0,1)(0,1) 或 (0,−1)(0,-1),其中 (0,1)(0,1) 就是 AA 自己(半径为 00,不是圆),故轴上的公共点至多 11 个。

  • ← 若左半椭圆(x<0x<0)上有两个不同点 PP、QQ 满足 ∣AP∣=∣AQ∣|AP|=|AQ|,取 r=∣AP∣r=|AP|,则 PP、QQ 与镜像 P′P'、Q′Q' 这 44 个不同点全在圆 x2+(y−1)2=r2x^{2}+(y-1)^{2}=r^{2} 上,公共点不少于 44 个。
  • → 反之,若某个以 AA 为心的圆与椭圆的公共点不少于 44 个,去掉轴上那至多 11 个,不在轴上的至少还有 33 个;由上一段它们的个数是偶数,故至少 44 个,于是 x<0x<0 一侧至少有 22 个不同点,它们到 AA 的距离都等于半径。

所以

∃ 以 A 为心的圆与椭圆有不少于 4 个公共点  ⟺  ∃ P≠Q 在左半椭圆上使 ∣AP∣=∣AQ∣.\exists\,\text{以 }A\text{ 为心的圆与椭圆有不少于 }4\text{ 个公共点} \iff \exists\,P\neq Q\text{ 在左半椭圆上使 }|AP|=|AQ| .

下面就只研究右边这件事。

设 PP、QQ 是左半椭圆(x<0x<0)上两个不同的点,且 ∣AP∣=∣AQ∣|AP|=|AQ|。 记直线 APAP、AQAQ 的斜率为 k1k_{1}、k2k_{2}。

  • 斜率为正:PP 满足 xP<0x_{P}<0 且 yP<1y_{P}<1(否则 P=AP=A),故 k1=yP−1xP>0k_{1}=\dfrac{y_{P}-1}{x_{P}}>0;同理 k2>0k_{2}>0。
  • 斜率互异:过 AA 的一条直线与椭圆只有一个异于 AA 的交点,所以 P≠Q⇒k1≠k2P\neq Q\Rightarrow k_{1}\neq k_{2}。

由第(Ⅰ)问,

∣AP∣=2a2k11+k121+a2k12,∣AQ∣=2a2k21+k221+a2k22.|AP|=\frac{2a^{2}k_{1}\sqrt{1+k_{1}^{2}}}{1+a^{2}k_{1}^{2}} ,\qquad |AQ|=\frac{2a^{2}k_{2}\sqrt{1+k_{2}^{2}}}{1+a^{2}k_{2}^{2}} .

(Ⅱ)第二步:平方、交叉相乘、因式分解

令 u=k12>0u=k_{1}^{2}>0、v=k22>0v=k_{2}^{2}>0(u≠vu\neq v)。∣AP∣=∣AQ∣|AP|=|AQ| 两边平方并约去 4a44a^{4}:

u(1+u)(1+a2u)2=v(1+v)(1+a2v)2.\frac{u(1+u)}{\left(1+a^{2}u\right)^{2}}=\frac{v(1+v)}{\left(1+a^{2}v\right)^{2}} .

交叉相乘、展开、把同类项按 u−vu-v 归并:

u(1+u)(1+a2v)2−v(1+v)(1+a2u)2=(u−v)[1+u+v+a2(2−a2)uv].u(1+u)\left(1+a^{2}v\right)^{2}-v(1+v)\left(1+a^{2}u\right)^{2} =(u-v)\Big[1+u+v+a^{2}\left(2-a^{2}\right)uv\Big] .

由 u≠vu\neq v 得

1+u+v+a2(2−a2)uv=0.1+u+v+a^{2}\left(2-a^{2}\right)uv=0 .

(Ⅱ)第三步:除以 uvuv,凑成一个乘积

u,v>0u,v>0,两边除以 uvuv:

1uv+1u+1v+a2(2−a2)=0 ⟹ (1u+1)(1v+1)=1+a2(a2−2).(\ast)\frac{1}{uv}+\frac{1}{u}+\frac{1}{v}+a^{2}\left(2-a^{2}\right)=0 \ \Longrightarrow\ \left(\frac{1}{u}+1\right)\left(\frac{1}{v}+1\right)=1+a^{2}\left(a^{2}-2\right) . \tag{\ast}

(Ⅱ)第四步:换元,问「(∗)(\ast) 有没有解」

把 (∗)(\ast) 的两个括号各记成一个字母:s=1u+1s=\dfrac1u+1、t=1v+1t=\dfrac1v+1。 换元之后新变量的范围必须跟着换:

u>0  ⟺  s>1,v>0  ⟺  t>1,u≠v  ⟺  s≠t.u>0\iff s>1 ,\qquad v>0\iff t>1 ,\qquad u\neq v\iff s\neq t .

反过来,任给 s,t>1s,t>1 且 s≠ts\neq t,都能反解出 u=1s−1>0u=\dfrac{1}{s-1}>0、v=1t−1>0v=\dfrac{1}{t-1}>0、u≠vu\neq v, 再取 k1=uk_{1}=\sqrt u、k2=vk_{2}=\sqrt v,就得到一对合法的 PP、QQ。所以

(∗) 有解  ⟺  1+a2(a2−2) 能写成两个大于 1 的不等数之积.(\ast)\ \text{有解}\iff 1+a^{2}\left(a^{2}-2\right)\ \text{能写成两个大于 }1\text{ 的不等数之积} .

而「两个大于 11 的不等数之积」恰好铺满 (1,+∞)(1,+\infty):任取 M>1M>1, 令 ss 取 (1,M)(1,M) 里一个不等于 M\sqrt M 的数、t=Mst=\dfrac{M}{s}, 则 t>1t>1 且 s≠ts\neq t,乘积正好是 MM;反之 s,t>1s,t>1 时乘积必大于 11。

(∗) 有解  ⟺  1+a2(a2−2)>1  ⟺  a2(a2−2)>0  ⟺  a>2.(\ast)\ \text{有解}\iff 1+a^{2}\left(a^{2}-2\right)>1\iff a^{2}\left(a^{2}-2\right)>0\iff a>\sqrt2 .

(Ⅱ)第五步:反过来,再换成离心率

由第一步的等价与第四步的结论,「存在以 AA 为心的圆与椭圆有不少于 44 个公共点」的充要条件是 a>2a>\sqrt2。取反并结合 a>1a>1:

任意这样的圆至多 3 个公共点  ⟺  1<a⩽2.\text{任意这样的圆至多 }3\text{ 个公共点}\iff 1<a\leqslant\sqrt2 . e=ca=a2−1a=1−1a2,e=\frac{c}{a}=\frac{\sqrt{a^{2}-1}}{a}=\sqrt{1-\frac{1}{a^{2}}} ,

它关于 aa 严格递增,a→1+a\to 1^{+} 时 e→0+e\to 0^{+},a=2a=\sqrt2 时 e=22e=\dfrac{\sqrt2}{2}。

0<e⩽22\boxed{0<e\leqslant\frac{\sqrt2}{2}}

解法二:把 ∣AP∣2|AP|^2 写成纵坐标的二次函数,看它单不单调

这条路根本不设直线,直接盯住「椭圆上的点到 AA 的距离」这一个函数。

(Ⅰ)第一步:解出交点的纵坐标

设 P(x,y)P(x,y) 是直线 y=kx+1y=kx+1 与椭圆异于 AA 的交点(k≠0k\neq 0,否则直线与椭圆只交于 AA)。 由直线得 x=y−1kx=\dfrac{y-1}{k},代入椭圆的 x2=a2(1−y2)=a2(1−y)(1+y)x^{2}=a^{2}\left(1-y^{2}\right)=a^{2}(1-y)(1+y):

(y−1)2k2=a2(1−y)(1+y).\frac{(y-1)^{2}}{k^{2}}=a^{2}(1-y)(1+y) .

y≠1y\neq 1,两边约去 (y−1)(y-1)(右边留下一个负号):

y−1k2=−a2(1+y) ⟹ y(1+a2k2)=1−a2k2 ⟹ y=1−a2k21+a2k2.\frac{y-1}{k^{2}}=-a^{2}(1+y) \ \Longrightarrow\ y\left(1+a^{2}k^{2}\right)=1-a^{2}k^{2} \ \Longrightarrow\ y=\frac{1-a^{2}k^{2}}{1+a^{2}k^{2}} .

(Ⅰ)第二步:由纵坐标直接算弦长

x=y−1kx=\dfrac{y-1}{k},所以

∣AP∣=x2+(y−1)2=∣y−1∣1k2+1=∣y−1∣1+k2∣k∣.|AP|=\sqrt{x^{2}+(y-1)^{2}}=|y-1|\sqrt{\frac{1}{k^{2}}+1}=\frac{|y-1|\sqrt{1+k^{2}}}{|k|} .

而

y−1=1−a2k2−(1+a2k2)1+a2k2=−2a2k21+a2k2,y-1=\frac{1-a^{2}k^{2}-\left(1+a^{2}k^{2}\right)}{1+a^{2}k^{2}}=-\frac{2a^{2}k^{2}}{1+a^{2}k^{2}} ,

代回:

 ∣AP∣=2a2k21+a2k2⋅1+k2∣k∣=2a2∣k∣1+a2k21+k2 \boxed{\ |AP|=\frac{2a^{2}k^{2}}{1+a^{2}k^{2}}\cdot\frac{\sqrt{1+k^{2}}}{|k|} =\frac{2a^{2}|k|}{1+a^{2}k^{2}}\sqrt{1+k^{2}}\ }

(k=0k=0 时直线 y=1y=1 与椭圆相切于 AA,弦长为 00,上式也给出 00,不必另说。)

(Ⅱ)第一步:把距离写成 yy 的函数

设 P(x,y)P(x,y) 是椭圆上任意一点,则 x2=a2(1−y2)x^{2}=a^{2}\left(1-y^{2}\right),y∈[−1,1]y\in[-1,1]。记

φ(y)=∣AP∣2=x2+(y−1)2=a2−a2y2+y2−2y+1=(1−a2)y2−2y+a2+1.\varphi(y)=|AP|^{2}=x^{2}+(y-1)^{2} =a^{2}-a^{2}y^{2}+y^{2}-2y+1 =\left(1-a^{2}\right)y^{2}-2y+a^{2}+1 .

注意 φ\varphi 只依赖 yy:同一个 yy 对应的两个点 (±x,y)(\pm x,y) 到 AA 的距离本来就相等, 这正是那对对称点。

(Ⅱ)第二步:把「公共点个数」翻译成「φ\varphi 取值的重数」

半径为 r>0r>0 的圆与椭圆的公共点,就是满足 φ(y)=r2\varphi(y)=r^{2} 的那些 yy 所对应的点:

  • y=1y=1:只有 AA 自己,φ(1)=0\varphi(1)=0,要求 r=0r=0,排除;
  • y=−1y=-1:只有 (0,−1)(0,-1),φ(−1)=4\varphi(-1)=4,贡献 11 个点;
  • y∈(−1,1)y\in(-1,1):x=±a1−y2≠0x=\pm a\sqrt{1-y^{2}}\neq 0,贡献 22 个点。

所以

公共点个数=2⋅#{y∈(−1,1):φ(y)=r2}+[φ(−1)=r2].\text{公共点个数}=2\cdot\#\{y\in(-1,1):\varphi(y)=r^{2}\}+\big[\varphi(-1)=r^{2}\big] . 任意 r 都至多 3 个  ⟺  φ 在 (−1,1) 上是单射.\text{任意 }r\text{ 都至多 }3\text{ 个}\iff \varphi\ \text{在}\ (-1,1)\ \text{上是单射} .

(Ⅱ)第三步:配方读顶点

a>1a>1 时 1−a2<01-a^{2}<0,φ\varphi 是开口向下的二次函数,对称轴(即最大值点)在

y∗=22(1−a2)=−1a2−1<0.y^{*}=\frac{2}{2\left(1-a^{2}\right)}=-\frac{1}{a^{2}-1}<0 .

记 m=a2−1>0m=a^{2}-1>0,则 y∗=−1my^{*}=-\dfrac1m,且

y∗>−1  ⟺  1m<1  ⟺  m>1  ⟺  a>2.y^{*}>-1\iff \frac1m<1\iff m>1\iff a>\sqrt2 .

(Ⅱ)第四步:两种情形分开验

情形一:a⩽2a\leqslant\sqrt2(即 y∗⩽−1y^{*}\leqslant-1)。 开口向下的二次函数在对称轴右侧严格递减,而 (−1,1)⊆[y∗,+∞)(-1,1)\subseteq\left[y^{*},+\infty\right), 所以 φ\varphi 在 (−1,1)(-1,1) 上严格递减,当然是单射。此时任意圆至多 33 个公共点。

情形二:a>2a>\sqrt2(即 −1<y∗<0-1<y^{*}<0)。 φ\varphi 在 (−1,y∗](-1,y^{*}] 上递增、在 [y∗,1)\left[y^{*},1\right) 上递减,最大值

φ(y∗)=(−m)⋅1m2+2m+(m+2)=m+1m+2.\varphi\left(y^{*}\right)=(-m)\cdot\frac{1}{m^{2}}+\frac{2}{m}+(m+2)=m+\frac1m+2 .

(用了 1−a2=−m1-a^{2}=-m、a2+1=m+2a^{2}+1=m+2。)由 m>1m>1 及 m+1mm+\dfrac1m 在 (1,+∞)(1,+\infty) 上严格递增,

φ(y∗)=m+1m+2>1+1+2=4=φ(−1).\varphi\left(y^{*}\right)=m+\frac1m+2>1+1+2=4=\varphi(-1) .

这一步不能只看顶点、不看端点:正是因为顶点值严格超过端点值 φ(−1)=4\varphi(-1)=4, 才保证取 r2∈(4, φ(y∗))r^{2}\in\left(4,\ \varphi\left(y^{*}\right)\right) 时,方程 φ(y)=r2\varphi(y)=r^{2} 在 (−1,y∗)(-1,y^{*}) 与 (y∗,1)\left(y^{*},1\right) 里各有一个根,两个根都落在开区间内, 于是这个圆与椭圆有 2×2=42\times 2=4 个公共点。

(Ⅱ)第五步:合并,换成离心率

任意以 A 为心的圆至多 3 个公共点  ⟺  a⩽2  ⟺  1<a⩽2.\text{任意以 }A\text{ 为心的圆至多 }3\text{ 个公共点}\iff a\leqslant\sqrt2 \iff 1<a\leqslant\sqrt2 . e=ca=a2−1a=1−1a2,e=\frac{c}{a}=\frac{\sqrt{a^{2}-1}}{a}=\sqrt{1-\frac{1}{a^{2}}} ,

关于 aa 严格递增,a∈(1,2 ]a\in\left(1,\sqrt2\,\right] 时

0<e⩽22\boxed{0<e\leqslant\frac{\sqrt2}{2}}

上下两块教学图。①上块并排画了两个椭圆,都以深蓝实线描出,各自的长轴与短轴用浅灰线段标出。每个椭圆的上顶点处有一个黑点,标注「A」;以这个 A 为圆心、过该椭圆右顶点的圆用蓝色虚线画出,并从 A 画出两条一样长的蓝色实线半径:一条斜向下到该椭圆的右顶点,一条竖直向上到虚线圆的最高点(那里有一个蓝点),把「A 就是圆心」标死;左图这条竖直半径的左侧有蓝字两行「上下两条一样长」「所以 A 正是圆心」。左边那个椭圆比较扁,虚线圆与它交出四个绿色的点:两个在长轴两端,另两个在长轴下方对称的位置;下方绿字三行写「a=2>\sqrt{2}」「圆与椭圆有 4 个公共点」「y^{*}=-\frac{1}{3} 落在 (-1,1) 内」。右边那个椭圆接近圆形,虚线圆与它只交出两个绿色的点,都在长轴两端;这个虚线圆的最低处停在椭圆内部,椭圆的下顶点探出圆外,那里画了一个红点,左侧红字标「(0,-1) 在圆外」;半径线段的右上方蓝字标「半径 =\sqrt{a^{2}+1}」。下方蓝字三行写「a=\sqrt{2}(临界)」「只剩 2 个公共点」「y^{*}=-1 正好落在端点上」。这一块的标题写「① 圆心都取上顶点 A(0,1)、半径都取「过右顶点」那一个:a 越大椭圆越扁,同一个作法就可能割出 4 个交点」。②下块是一段文字,分两问:抬头「第(Ⅰ)问:直线过上顶点 A,弦的一头就是 A」,蓝字一行「代入得 (1+a^{2}k^{2})x^{2}+2ka^{2}x=0,两根是 x=0 与 x=-\frac{2ka^{2}}{1+a^{2}k^{2}}」,绿字一行「|AP|=\sqrt{1+k^{2}}\,|x_{1}-x_{2}|=\frac{2a^{2}|k|\sqrt{1+k^{2}}}{1+a^{2}k^{2}}」;抬头「第(Ⅱ)问:正难则反,先问「什么时候会有 4 个公共点」」,蓝字一行「椭圆左右对称、A 在对称轴上 \Rightarrow 4 个公共点就是左半椭圆上有两个不同点到 A 等距」,蓝字一行「|AP|^{2}=x^{2}+(y-1)^{2}=(1-a^{2})y^{2}-2y+a^{2}+1,y\in[-1,1]」,蓝字一行「开口向下,顶点 y^{*}=-\frac{1}{a^{2}-1};它落进 (-1,1) 才可能等距 \Leftrightarrow a>\sqrt{2}」,末行绿字「至多 3 个 \Leftrightarrow 1<a\leq\sqrt{2}\Leftrightarrow 0<e\leq\frac{\sqrt{2}}{2}」

两条路怎么选

解法一解法二
用什么量刻画「等距」过 AA 的弦长,自变量是斜率 kk点到 AA 的距离平方,自变量是纵坐标 yy
(Ⅰ)问的算法消 yy 解 xx,再乘 1+k2\sqrt{1+k^{2}}消 xx 解 yy,距离直接由 ∣y−1∣\lvert y-1\rvert 表出
(Ⅱ)问变成什么一个关于 k1,k2k_{1},k_{2} 的方程有没有解一个二次函数在 (−1,1)(-1,1) 上单不单射
主要风险换元 s=1u+1s=\frac1u+1 后忘了 s>1s>1只看顶点位置,不验 φ(y∗)>φ(−1)\varphi(y^{*})>\varphi(-1)
算量交叉相乘那一步展开较长配方两行,最轻

两条路的分水岭是先固定谁。解法一固定「过 AA 的直线」,把点参数化成斜率, 好处是第(Ⅰ)问的结论能原样搬进第(Ⅱ)问,坏处是要硬啃一次四次式的因式分解。 解法二干脆不管直线,直接把距离写成纵坐标的函数——椭圆上 x2x^{2} 能被 yy 一次性消掉, 所以这个距离必然是 yy 的二次函数,剩下的全是「对称轴落在哪儿」的老套路。

考场上如果第(Ⅰ)问已经把弦长算出来了,顺着解法一走最省心; 但若第(Ⅱ)问卡在因式分解,立刻改用解法二,两行配方就能看到 2\sqrt2。

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