浙江 2019 · 数学 q15

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2019 · 数学 q15 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 已知椭圆 x29+y25=1\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{5} = 1 的左焦点为 FF,点 PP 在椭圆上且在 xx 轴的上方,若线段 PFPF 的中点在以原点 OO 为圆心,∣OF∣\left|OF\right| 为半径的圆上,则直线 PFPF 的斜率是 ____.

答案

15\sqrt{15}

本题的知识树

6 概念 · 2 公式 · 1 定理 · 1 题型 · 2 套路 · 2 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)

两个中点连成中位线 · 两条焦半径一钉死,坐标或余弦定理都能收尾 · 最终答案:15\sqrt{15}

冷启动:先把「中点」这两个字翻译成长度

题面给的东西看着挺绕:椭圆 x29+y25=1\frac{x^{2}}{9}+\frac{y^{2}}{5}=1,左焦点 FF,点 PP 在椭圆上且在 xx 轴上方,线段 PFPF 的中点在以原点 OO 为圆心、∣OF∣\lvert OF\rvert 为半径的圆上,求直线 PFPF 的斜率。

先把白给的量摆出来——这一步不做,后面全是瞎猜:

a2=9,b2=5,c2=a2−b2=4⟹a=3, c=2a^{2}=9,\quad b^{2}=5,\quad c^{2}=a^{2}-b^{2}=4 \quad\Longrightarrow\quad a=3,\ c=2

所以 F(−2,0)F(-2,0),右焦点记作 F1(2,0)F_{1}(2,0),那个圆是 ⊙O: x2+y2=4\odot O:\ x^{2}+y^{2}=4(半径 ∣OF∣=c=2\lvert OF\rvert=c=2)。

接下来是这道题唯一的关口。把中点记作 MM,题面那句长条件其实只说了一件事:

M 在 ⊙O 上⟺∣OM∣=2M\ \text{在}\ \odot O\ \text{上}\quad\Longleftrightarrow\quad \lvert OM\rvert=2

到这里请停下来数中点:

  • MM 是 PFPF 的中点——题面明说的;
  • OO 是 FF1FF_{1} 的中点——题面没说,但椭圆的两个焦点天生对称于原点。

两个中点,连起来的那条线段就是中位线。MM 在边 FPFP 上、OO 在边 FF1FF_{1} 上,它们同属 △PFF1\triangle PFF_{1},于是 OMOM 是 △PFF1\triangle PFF_{1} 的中位线:

∣PF1∣=2∣OM∣=4\lvert PF_{1}\rvert=2\lvert OM\rvert=4

这一步定生死:所谓「中点在某个圆上」,从来不是位置描述,而是在偷偷给一条焦半径的长度。再叠上椭圆定义:

∣PF∣+∣PF1∣=2a=6⟹∣PF∣=6−4=2\lvert PF\rvert+\lvert PF_{1}\rvert=2a=6\quad\Longrightarrow\quad \lvert PF\rvert=6-4=2

两条焦半径全钉死了:∣PF∣=2\lvert PF\rvert=2、∣PF1∣=4\lvert PF_{1}\rvert=4。剩下的只是「怎么把长度换成斜率」——下面两条路都只需三行。

教学图:一张带坐标轴与浅色网格的平面图。深蓝粗实线画一个横向的椭圆,左右顶点在 x 轴的 −3 与 3 处,上下顶点在 y 轴的约 ±2.24 处。蓝色虚线画一个以原点为心、半径 2 的圆,它与椭圆在上下方相切似地靠近但不相交。x 轴上有三个黑色实心点:左边 (−2,0) 标 F、原点标 O、右边 (2,0) 标 F₁,标注都在点的下方。椭圆左上方有一个绿色实心点 P,其右上方绿字标「P(−3/2, √15/2)」。绿色粗实线段从 F 连到 P;深蓝细实线段从 P 连到 F₁,这条线段中部偏右上方标着深蓝字「|PF₁| = 4」。线段 FP 的中点是一个蓝色实心点 M(落在那个虚线圆上),其右下方蓝字标「M」;蓝色实线段从 M 连到 O,线段下方蓝字标「|OM| = 2」。绿色的斜率答案「k_PF = √15」摆在线段 FP 的左侧、椭圆左上那段弧上(白底)。x 轴下方靠中间有一个白底的三行注记,深蓝黑字居中排列:「M 在 ⊙O: x²+y²=4 上 ⇒ |OM| = |OF| = 2」「OM 是中位线 ⇒ |PF₁| = 2|OM| = 4」「椭圆定义 ⇒ |PF| = 6 − 4 = 2」。抬头两行标题:椭圆 x²/9 + y²/5 = 1:a=3、c=2;PF 的中点 M 落在 ⊙O 上;中位线 + 椭圆定义把两条焦半径钉死:|PF₁|=4、|PF|=2,于是 k_PF=√15。

解法一:中位线定两条焦半径,再由焦半径反求 xPx_{P},坐标算斜率

已经有 ∣PF∣=2\lvert PF\rvert=2,而 FF 是左焦点,左焦半径与横坐标的关系是

∣PF∣=a+exP,e=ca=23\lvert PF\rvert=a+ex_{P},\qquad e=\frac{c}{a}=\frac{2}{3}

(人教 A 版正文没有列这条公式,当场推一遍只要两步:∣PF∣2=(xP+c)2+yP2\lvert PF\rvert^{2}=(x_{P}+c)^{2}+y_{P}^{2},把 yP2=b2 ⁣(1−xP2a2)y_{P}^{2}=b^{2}\!\left(1-\frac{x_{P}^{2}}{a^{2}}\right) 代进去配方,得 (a+caxP)2\left(a+\frac{c}{a}x_{P}\right)^{2}。心里没底就代端点验:xP=−ax_{P}=-a 时它给 a−ca-c,正是左顶点到左焦点的距离 ✓。)

代进去:

3+23xP=2⟹23xP=−1⟹xP=−323+\frac{2}{3}x_{P}=2\quad\Longrightarrow\quad \frac{2}{3}x_{P}=-1\quad\Longrightarrow\quad x_{P}=-\frac{3}{2}

再回椭圆方程取纵坐标,题面那句「在 xx 轴上方」在这里兑现(只留正根):

yP2=5(1−xP29)=5(1−9/49)=5⋅34=154⟹yP=152y_{P}^{2}=5\left(1-\frac{x_{P}^{2}}{9}\right)=5\left(1-\frac{9/4}{9}\right)=5\cdot\frac{3}{4}=\frac{15}{4} \quad\Longrightarrow\quad y_{P}=\frac{\sqrt{15}}{2}

斜率是两点间的差商,分母不要算错——FF 的横坐标是 −2-2:

kPF=yP−0xP−(−2)=152−32+2=15212=15k_{PF}=\frac{y_{P}-0}{x_{P}-(-2)}=\frac{\frac{\sqrt{15}}{2}}{-\frac{3}{2}+2}=\frac{\frac{\sqrt{15}}{2}}{\frac{1}{2}}=\sqrt{15}

不想碰焦半径公式的版本(官方解析走的就是这条):把 ∣PF1∣=4\lvert PF_{1}\rvert=4 直接写成方程——这里的 F1F_{1} 是右焦点 (2,0)(2,0)(开头就是这么记的;官方解析用的也是这个记法,所以它那条圆方程的圆心是 (2,0)(2,0) 而不是 (−2,0)(-2,0))。设 P(x,y)P(x,y),则

{(x−2)2+y2=16x29+y25=1⟹49x2−4x−7=0⟹x=−32 或 x=212 (舍)\begin{cases} (x-2)^{2}+y^{2}=16\\[2pt] \dfrac{x^{2}}{9}+\dfrac{y^{2}}{5}=1 \end{cases} \quad\Longrightarrow\quad \frac{4}{9}x^{2}-4x-7=0 \quad\Longrightarrow\quad x=-\frac{3}{2}\ \text{或}\ x=\frac{21}{2}\ (\text{舍})

212>a=3\frac{21}{2}>a=3,超出了椭圆的横坐标范围 [−3,3][-3,3],这就是「舍」的理由——别只写个「舍」了事。往下与上面一样。

这条路的代价是解一个二次方程;用焦半径则是一次方程。知道 ∣PF∣\lvert PF\rvert 与知道 xPx_{P} 是一回事,这是圆锥曲线里最值钱的换算之一。

解法二:焦点三角形 22-44-44:余弦定理算出 cos⁡∠PFF1\cos\angle PFF_{1},正切就是斜率

回头看 △PFF1\triangle PFF_{1},三条边现在全是已知数:

∣PF∣=2,∣PF1∣=4,∣FF1∣=2c=4\lvert PF\rvert=2,\qquad \lvert PF_{1}\rvert=4,\qquad \lvert FF_{1}\rvert=2c=4

而待求的斜率就是这个三角形在 FF 处那个角的正切:PP 在 xx 轴上方、F1F_{1} 在 FF 的正右方,所以射线 FF1FF_{1} 就是 xx 轴正方向,直线 PFPF 的倾斜角正好是 ∠PFF1\angle PFF_{1}。于是对 ∠PFF1\angle PFF_{1} 用余弦定理:

cos⁡∠PFF1=∣PF∣2+∣FF1∣2−∣PF1∣22∣PF∣⋅∣FF1∣=4+16−162⋅2⋅4=416=14\cos\angle PFF_{1}=\frac{\lvert PF\rvert^{2}+\lvert FF_{1}\rvert^{2}-\lvert PF_{1}\rvert^{2}}{2\lvert PF\rvert\cdot\lvert FF_{1}\rvert} =\frac{4+16-16}{2\cdot 2\cdot 4}=\frac{4}{16}=\frac{1}{4}

倾斜角在 (0∘,180∘)(0^{\circ},180^{\circ}) 内,余弦为正说明它是锐角,正弦取正:

sin⁡∠PFF1=1−116=154,kPF=tan⁡∠PFF1=15/41/4=15\sin\angle PFF_{1}=\sqrt{1-\frac{1}{16}}=\frac{\sqrt{15}}{4}, \qquad k_{PF}=\tan\angle PFF_{1}=\frac{\sqrt{15}/4}{1/4}=\sqrt{15}

一条更快的读法:注意 ∣PF1∣=∣FF1∣=4\lvert PF_{1}\rvert=\lvert FF_{1}\rvert=4,△PFF1\triangle PFF_{1} 是以 F1F_{1} 为顶点的等腰三角形,那么 F1F_{1} 到底边 PFPF 的中线就是高——而 PFPF 的中点正是 MM,所以 F1M⊥PFF_{1}M\perp PF。在直角三角形 FMF1FMF_{1} 里直接读:

cos⁡∠PFF1=∣FM∣∣FF1∣=14⟹tan⁡∠PFF1=42−12=15\cos\angle PFF_{1}=\frac{\lvert FM\rvert}{\lvert FF_{1}\rvert}=\frac{1}{4} \quad\Longrightarrow\quad \tan\angle PFF_{1}=\sqrt{4^{2}-1^{2}}=\sqrt{15}

(∣FM∣=12∣PF∣=1\lvert FM\rvert=\frac{1}{2}\lvert PF\rvert=1。直角三角形里 cos⁡=14\cos=\frac{1}{4} 就是「邻边 11、斜边 44」,对边 15\sqrt{15},正切 15\sqrt{15} 一眼可得。)

这条路一个坐标都没设,也没开根号解方程——长度齐了就别再回到坐标系里去绕。

两条路的分工

解法一(坐标)解法二(焦点三角形)
前半段完全相同:中位线 ⇒∣PF1∣=4\Rightarrow\lvert PF_{1}\rvert=4,定义 ⇒∣PF∣=2\Rightarrow\lvert PF\rvert=2同左
后半段用什么焦半径 →xP\to x_{P},椭圆方程 →yP\to y_{P},差商余弦定理(或等腰三角形的高)→\to 角的正切
计算量一次方程 ++ 一次开方一次代入,无方程
什么时候更顺还要顺手求 PP 的坐标、PFPF 的方程只问斜率、角度、面积
容易栽在哪左右焦半径的符号;差商的分母漏了 cc余弦定理套错对边;忘了正切要按半平面定号

问的是斜率而已,解法二更短;但只要题目还追问「PP 的坐标」「PFPF 的方程」「△PFF1\triangle PFF_{1} 的面积用坐标算」,解法一的中间产物就直接接得上。

避坑清单

坑错在哪会算出什么怎么当场发现
中位线配错边写成 ∣PF∣=2∣OM∣=4\lvert PF\rvert=2\lvert OM\rvert=4两条焦半径互换,xP=+32x_{P}=+\frac{3}{2},斜率也就错了看平行:图上 OMOM 与 PF1PF_{1} 同向,与 PFPF 明显不平行
没发现 OO 是中点只盯着题面给的那一个中点,中位线就出不来卡住,退回去联立一堆方程读到「中点」立刻去找第二个中点:原点、圆心都是天生的中点
把 ∣OF∣\lvert OF\rvert 当成 aa半径写成 33∣PF1∣=6=2a\lvert PF_{1}\rvert=6=2a,逼出 ∣PF∣=0\lvert PF\rvert=0∣PF∣=0\lvert PF\rvert=0 就是 P=FP=F,图上一看就荒唐
左右焦半径符号搞混对左焦点用了 a−exPa-ex_{P}xP=+32x_{P}=+\frac{3}{2},斜率变成 157\frac{\sqrt{15}}{7}代端点:xP=−3x_{P}=-3 时左焦半径该是 a−c=1a-c=1
忘了 yPy_{P} 要取正两根都留着多出一个 −15-\sqrt{15}题面写着「在 xx 轴的上方」——这句话就是为了定号
差商的分母写成 xPx_{P}忘了 FF 不在原点k=−153k=-\frac{\sqrt{15}}{3},连正负都反了斜率是两点之差;图上 PP 在 FF 的右上方,斜率必为正
舍根不给理由只写「x=212x=\frac{21}{2}(舍)」填空题不扣分,解答题要扣一句话:212>3\frac{21}{2}>3,超出 [−3,3][-3,3]
余弦定理挑错角用 ∣PF1∣\lvert PF_{1}\rvert 当那个角的对边之一cos⁡\cos 算成 12\frac{1}{2} 之类记死:分子上被减的那条,是所求角的对边(这里是 PF1PF_{1})

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