浙江 2022 · 数学 q16

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2022 · 数学 q16 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 已知双曲线 x2a2−y2b2=1(a>0,b>0)\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 (a > 0, b > 0) 的左焦点为 FF,过 FF 且斜率为 b4a\frac{b}{4a} 的直线交双曲线于点 A(x1,y1)A(x_1, y_1),交双曲线的渐近线于点 B(x2,y2)B(x_2, y_2) 且 x1<0<x2x_1 < 0 < x_2。若 ∣FB∣=3∣FA∣|FB| = 3|FA|,则双曲线的离心率是 ____.

答案

364\frac{3\sqrt{6}}{4}

本题的知识树

5 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 2 套路 · 2 易错点 · 最深 3 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)

过左焦点的直线交双曲线与渐近线 · 先求 B 再回推 A,或用到渐近线的距离直接卡住 A · 最终答案:364\frac{3\sqrt{6}}{4}

冷启动:把图摆出来,先把三件事定死

双曲线 x2a2−y2b2=1 (a>0,b>0)\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1\ (a>0,b>0),左焦点 F(−c,0)F(-c,0),其中 c=a2+b2c=\sqrt{a^2+b^2}。过 FF 作斜率为 b4a\dfrac{b}{4a} 的直线,它交双曲线于 A(x1,y1)A(x_1,y_1)、交渐近线于 B(x2,y2)B(x_2,y_2),且 x1<0<x2x_1<0<x_2,∣FB∣=3∣FA∣|FB|=3|FA|。求离心率 e=cae=\dfrac ca。

① 这条直线的方程。 过 (−c,0)(-c,0)、斜率 b4a\dfrac{b}{4a}:

y=b4a(x+c)y=\frac{b}{4a}(x+c)

② 是哪一条渐近线? 双曲线的渐近线有两条:y=±baxy=\pm\dfrac ba x。题面给了 x2>0x_2>0,这句话就是用来挑的:

  • 取 y=−baxy=-\dfrac ba x:b4a(x+c)=−bax⇒x+c=−4x⇒x=−c5<0\dfrac{b}{4a}(x+c)=-\dfrac ba x\Rightarrow x+c=-4x\Rightarrow x=-\dfrac c5<0 ✗;
  • 取 y=baxy=\dfrac ba x:b4a(x+c)=bax⇒x+c=4x⇒x=c3>0\dfrac{b}{4a}(x+c)=\dfrac ba x\Rightarrow x+c=4x\Rightarrow x=\dfrac c3>0 ✓。

用的是 y=baxy=\dfrac ba x 这一条。 顺带注意:直线的斜率 b4a\dfrac{b}{4a} 只有渐近线斜率的 14\dfrac14,所以它比渐近线平缓,从左焦点出发向右上方走,必然会从下方追上并穿过这条渐近线——交点存在,不必担心平行。

③ ∣FB∣=3∣FA∣|FB|=3|FA| 有两种位置。 绝对值只说远近、不说朝向。AA 在 FF 的哪一侧,题面没直说:

  • 情形 Ⅰ:AA、BB 在 FF 的同侧,即 FA→=13FB→\overrightarrow{FA}=\dfrac13\overrightarrow{FB}(AA 落在线段 FBFB 内);
  • 情形 Ⅱ:AA、BB 分居 FF 两侧,即 FA→=−13FB→\overrightarrow{FA}=-\dfrac13\overrightarrow{FB}。

两种都要算。 别指望 x1<0x_1<0 能替你排掉一种——下面会看到,情形 Ⅱ 的 x1x_1 也是负的,它得靠最后一步才露馅。

④ 要求的是 ee,不是 aa、bb、cc。 所以整道题只需要凑出 ca\dfrac{c}{a}(或 ba\dfrac ba)这一个比值,aa 与 bb 各自是多少无关紧要——这决定了下面每一步都可以放心地把 bb 留在式子里,它最后会自己消掉。

解法一:联立求出 B,再按比例回推 A 的坐标

怎么想到的。 题目把 AA 藏在「与 BB 的距离比」里,而 BB 是两条已知直线的交点——能直接算的先算。BB 一到手,AA 就只是沿着同一条直线按比例走一段的事。

① 先定是哪一条渐近线。 渐近线有两条 y=±baxy=\pm\dfrac bax,题面的 x2>0x_2>0 就是用来挑的:

  • 取 y=−baxy=-\dfrac bax:b4a(x+c)=−bax⇒x+c=−4x⇒x=−c5<0\dfrac{b}{4a}(x+c)=-\dfrac bax\Rightarrow x+c=-4x\Rightarrow x=-\dfrac c5<0 ✗;
  • 取 y=baxy=\dfrac bax:b4a(x+c)=bax⇒x+c=4x⇒x=c3>0\dfrac{b}{4a}(x+c)=\dfrac bax\Rightarrow x+c=4x\Rightarrow x=\dfrac c3>0 ✓。

这一步千万别跳。 若错用 y=−baxy=-\dfrac bax,后面每一步都照样走得通:B(−c5,bc5a)B\left(-\dfrac c5,\dfrac{bc}{5a}\right)、A(−11c15,bc15a)A\left(-\dfrac{11c}{15},\dfrac{bc}{15a}\right)、代入得 120c2225a2=1\dfrac{120c^2}{225a^2}=1,e=304≈1.369e=\dfrac{\sqrt{30}}{4}\approx1.369——它 >1>1、x1<0x_1<0 也满足,本题所有其它条件都拦不住这个假答案,只有 x2>0x_2>0 能。

② 联立求 BB。

{y=b4a(x+c)y=bax⟹ b4a(x+c)=bax⟹ x+c=4x⟹ x=c3\begin{cases} y=\dfrac{b}{4a}(x+c)\\[4pt] y=\dfrac ba x \end{cases} \Longrightarrow\ \frac{b}{4a}(x+c)=\frac ba x \Longrightarrow\ x+c=4x \Longrightarrow\ x=\frac c3

代回得 y=ba⋅c3=bc3ay=\dfrac ba\cdot\dfrac c3=\dfrac{bc}{3a},故

B(c3, bc3a)B\left(\frac c3,\ \frac{bc}{3a}\right)

③ 从 FF 走向 BB 的位移。

FB→=(c3−(−c), bc3a−0)=(4c3, bc3a)\overrightarrow{FB}=\left(\frac c3-(-c),\ \frac{bc}{3a}-0\right)=\left(\frac{4c}{3},\ \frac{bc}{3a}\right)

④ 按比例回推 AA(两种情形各一次)。

情形 Ⅰ(同侧):FA→=13FB→=(4c9,bc9a)\overrightarrow{FA}=\dfrac13\overrightarrow{FB}=\left(\dfrac{4c}{9},\dfrac{bc}{9a}\right),于是

A=F+FA→=(−c+4c9, bc9a)=(−5c9, bc9a)A=F+\overrightarrow{FA}=\left(-c+\frac{4c}{9},\ \frac{bc}{9a}\right)=\left(-\frac{5c}{9},\ \frac{bc}{9a}\right)

情形 Ⅱ(异侧):FA→=−13FB→\overrightarrow{FA}=-\dfrac13\overrightarrow{FB},于是

A=(−c−4c9, −bc9a)=(−13c9, −bc9a)A=\left(-c-\frac{4c}{9},\ -\frac{bc}{9a}\right)=\left(-\frac{13c}{9},\ -\frac{bc}{9a}\right)

两个 x1x_1 都是负数,x1<0x_1<0 这一条谁也排不掉。

⑤ 把 AA 代进双曲线方程——这一步同时定 ee、也淘汰假解。

注意一个便宜:AA 的纵坐标形如 ±bc9a\pm\dfrac{bc}{9a},平方后除以 b2b^2,bb 直接消失:

y12b2=1b2⋅b2c281a2=c281a2\frac{y_1^2}{b^2}=\frac{1}{b^2}\cdot\frac{b^2c^2}{81a^2}=\frac{c^2}{81a^2}

情形 Ⅰ:

1a2⋅25c281−c281a2=1 ⟹ 25c2−c281a2=1 ⟹ 24c281a2=1 ⟹ c2a2=8124=278\frac{1}{a^2}\cdot\frac{25c^2}{81}-\frac{c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{25c^2-c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{24c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{c^2}{a^2}=\frac{81}{24}=\frac{27}{8} e=278=3322=33⋅22⋅2=364e=\sqrt{\frac{27}{8}}=\frac{3\sqrt3}{2\sqrt2}=\frac{3\sqrt3\cdot\sqrt2}{2\cdot 2}=\boxed{\frac{3\sqrt6}{4}}

e=364≈1.837>1e=\dfrac{3\sqrt6}{4}\approx1.837>1 ✓,合法。

情形 Ⅱ:

169c281a2−c281a2=1 ⟹ 168c281a2=1 ⟹ c2a2=81168=2756<1\frac{169c^2}{81a^2}-\frac{c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{168c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{c^2}{a^2}=\frac{81}{168}=\frac{27}{56}<1

e<1e<1 与「双曲线的 e>1e>1」矛盾,情形 Ⅱ 无解,舍去。

所以 e=364e=\dfrac{3\sqrt6}{4}。

教学图:一整列宽的单幅几何图,标题写「过左焦点、斜率 b/(4a) 的直线:交左支于 A、交渐近线于 B,|FB| = 3|FA|」。等比例坐标系里画出双曲线的左右两支(深蓝实线)、两条渐近线(灰虚线,在第四象限那一条上标出方程 y = ±(b/a)x)、左焦点 F(−c, 0)(黑实心点),以及过 F 的那条直线(绿实线,线上注「斜率 b/(4a)」)。直线与正斜率渐近线的交点 B(c/3, bc/3 ÷ a) 画蓝实心点、与双曲线左支的交点 A(−5c/9, bc/9 ÷ a) 画绿实心点,两处都把坐标标在点旁;F 到 A 那段注「1 份」、A 到 B 那段注「2 份」,读出来就是 |FB| = 3|FA|。被舍去的情形 Ⅱ 那个交点画成红色空心圈 A′,落在 F 的左外侧,旁注「情形 Ⅱ,舍」。另有两条点虚线段分别从 F 和 A 垂落到那条渐近线上,长度依次标注 b 与 2/3·b——这是解法二「用点到渐近线的距离」的入口。两条解法的算式账都不在图上,在正文里

解法二:不求 B,用 A 到渐近线的距离把 A 卡死

怎么想到的。 解法一为了得到 AA,先绕道算了 BB。可题目问的是 ee,BB 只是个跳板——能不能不算它?

能。关键是这个事实:一条直线上的点,到另一条定直线的距离是线性变化的,在交点处为零。BB 正是我们那条直线与渐近线的交点,所以对直线上任一点 PP,

d(P, 渐近线)=∣PB∣⋅sin⁡θ(θ 是两直线夹角,定值)d(P,\ \text{渐近线})=|PB|\cdot\sin\theta\qquad(\theta \text{ 是两直线夹角,定值})

于是距离之比 == 到 BB 的距离之比。∣FB∣|FB| 与 ∣AB∣|AB| 的比是已知的,距离比也就已知了——完全不需要 BB 在哪。

① 先定是哪一条渐近线。 渐近线有两条 y=±baxy=\pm\dfrac bax,与本题这条直线都相交,所以必须挑。题面的 x2>0x_2>0 就是用来挑的:

  • 取 y=−baxy=-\dfrac bax:b4a(x+c)=−bax⇒x=−c5<0\dfrac{b}{4a}(x+c)=-\dfrac bax\Rightarrow x=-\dfrac c5<0 ✗;
  • 取 y=baxy=\dfrac bax:b4a(x+c)=bax⇒x=c3>0\dfrac{b}{4a}(x+c)=\dfrac bax\Rightarrow x=\dfrac c3>0 ✓。

这一步千万别跳。 错用另一条,这套机器照样走得通:bx1+ay1=b4(5x1+c)bx_1+ay_1=\dfrac b4(5x_1+c),∣5x1+c∣=8c3|5x_1+c|=\dfrac{8c}{3} 给 x1=−11c15x_1=-\dfrac{11c}{15},代入得 e=304≈1.369e=\dfrac{\sqrt{30}}{4}\approx1.369——>1>1、x1<0x_1<0 全都满足,下面那两道筛子(舍正根、舍 e<1e<1)一个也拦不住它。

于是取 l: y=baxl:\ y=\dfrac bax,即 bx−ay=0bx-ay=0。

② 把长度比翻成距离比。 AA 在直线 FBFB 上,写成 A=F+t FB→A=F+t\,\overrightarrow{FB}。由 ∣FA∣=13∣FB∣|FA|=\dfrac13|FB| 得 ∣t∣=13|t|=\dfrac13,即

t=±13(只有这两个位置,没有第三种)t=\pm\frac13\qquad(\text{只有这两个位置,没有第三种})

而点到 ll 的距离沿这条直线线性变化、在交点 BB(即 t=1t=1)处为零,所以

d(A,l)=∣1−t∣⋅d(F,l)d(A,l)=|1-t|\cdot d(F,l)
  • t=+13t=+\dfrac13(情形 Ⅰ,0<t<10<t<1 说明 AA 落在 FF 与 BB 之间):d(A,l)=23d(F,l)d(A,l)=\dfrac23 d(F,l);
  • t=−13t=-\dfrac13(情形 Ⅱ,AA 在 FF 的另一侧):d(A,l)=43d(F,l)d(A,l)=\dfrac43 d(F,l)。

③ d(F,l)d(F,l) 是现成的:等于 bb。

d(F,l)=∣b⋅(−c)−a⋅0∣b2+(−a)2=bca2+b2=bcc=bd(F,l)=\frac{|b\cdot(-c)-a\cdot 0|}{\sqrt{b^2+(-a)^2}}=\frac{bc}{\sqrt{a^2+b^2}}=\frac{bc}{c}=b

(焦点到渐近线的距离恒为 bb——这是双曲线里最值得背的一条,它把 bb 变成了图上一段看得见的长度。)所以 d(A,l)=2b3d(A,l)=\dfrac{2b}{3}。

④ 把这个距离写成 x1x_1 的方程。 AA 在直线上,y1=b4a(x1+c)y_1=\dfrac{b}{4a}(x_1+c),代入距离公式:

bx1−ay1=bx1−a⋅b4a(x1+c)=bx1−b4(x1+c)=b4(3x1−c)b x_1-a y_1=b x_1-a\cdot\frac{b}{4a}(x_1+c)=b x_1-\frac b4(x_1+c)=\frac b4\left(3x_1-c\right) d(A,l)=∣b4(3x1−c)∣a2+b2=b ∣3x1−c∣4cd(A,l)=\frac{\left|\frac b4(3x_1-c)\right|}{\sqrt{a^2+b^2}}=\frac{b\,|3x_1-c|}{4c}

令它等于 2b3\dfrac{2b}{3},bb 两边一起消掉:

∣3x1−c∣4c=23 ⟹ ∣3x1−c∣=8c3 ⟹ 3x1−c=±8c3\frac{|3x_1-c|}{4c}=\frac23 \ \Longrightarrow\ |3x_1-c|=\frac{8c}{3} \ \Longrightarrow\ 3x_1-c=\pm\frac{8c}{3}
  • 3x1=c+8c3=11c3⇒x1=11c9>03x_1=c+\dfrac{8c}{3}=\dfrac{11c}{3}\Rightarrow x_1=\dfrac{11c}{9}>0 ✗(与 x1<0x_1<0 矛盾,舍);
  • 3x1=c−8c3=−5c3⇒x1=−5c93x_1=c-\dfrac{8c}{3}=-\dfrac{5c}{3}\Rightarrow x_1=-\dfrac{5c}{9} ✓。

⑤ 情形 Ⅱ 也要走一遍。 t=−13t=-\dfrac13 时 d(A,l)=43bd(A,l)=\dfrac43 b,同法得 ∣3x1−c∣=16c3|3x_1-c|=\dfrac{16c}{3},两根为 x1=19c9>0x_1=\dfrac{19c}{9}>0(舍)与 x1=−13c9x_1=-\dfrac{13c}{9}。

⑥ 代入双曲线定 ee。 由 y1=b4a(x1+c)y_1=\dfrac{b}{4a}(x_1+c) 把纵坐标补齐,再代进 x12a2−y12b2=1\dfrac{x_1^2}{a^2}-\dfrac{y_1^2}{b^2}=1(y1y_1 形如 ±bc9a\pm\dfrac{bc}{9a},平方除以 b2b^2 后 bb 自动约掉):

  • 情形 Ⅰ:x1=−5c9x_1=-\dfrac{5c}{9},y1=b4a⋅4c9=bc9ay_1=\dfrac{b}{4a}\cdot\dfrac{4c}{9}=\dfrac{bc}{9a},
25c281a2−c281a2=1 ⟹ 24c281a2=1 ⟹ c2a2=278,e=364≈1.837>1 ✓\frac{25c^2}{81a^2}-\frac{c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{24c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{c^2}{a^2}=\frac{27}{8},\qquad e=\frac{3\sqrt6}{4}\approx1.837>1\ \checkmark
  • 情形 Ⅱ:x1=−13c9x_1=-\dfrac{13c}{9},y1=b4a⋅(−4c9)=−bc9ay_1=\dfrac{b}{4a}\cdot\left(-\dfrac{4c}{9}\right)=-\dfrac{bc}{9a},
169c281a2−c281a2=1 ⟹ c2a2=81168=2756<1\frac{169c^2}{81a^2}-\frac{c^2}{81a^2}=1 \ \Longrightarrow\ \frac{c^2}{a^2}=\frac{81}{168}=\frac{27}{56}<1

与「双曲线的 e>1e>1」矛盾,舍。

e=364e=\boxed{\frac{3\sqrt6}{4}}

这条路的省力处:卡死 AA 的那台机器(②③④)一次也没用到 BB 的坐标——第 ① 步算出的 x=c3x=\dfrac c3 只用来判哪条渐近线的符号,BB 的纵坐标压根没登场;而且 bb 在第 ④ 步就整体约掉了,式子里始终只有 x1x_1 与 cc 两个量。

这两条路差在哪

  • 解法一是求点:先把 BB 这个交点算出来(联立一次),再用向量按比例回推 AA。它造出的中间对象是 BB 的坐标,两种情形分别对应向量前的 ±13\pm\dfrac13。
  • 解法二是求距离:把「长度之比」换成「到渐近线的距离之比」,用一条距离方程直接卡住 x1x_1。它造出的中间对象是 AA 到渐近线的距离,BB 的坐标从头到尾没出现;两种情形对应比例 23\dfrac23 与 43\dfrac43。

第一个实质动作就分岔了(联立求交点 vs 写距离方程),中间对象也不同。所以是两条路。

考场上怎么选:填空题、只要 ee——解法一更稳,联立是肌肉记忆,两次代入就完事。若题目里 BB 的坐标本身很难看(比如渐近线斜率带根号、交点分母复杂),或者题目问的干脆就是某种距离,解法二能省掉最脏的一步。

🕳️ 避坑

  • 两条渐近线,挑对那一条。 x2>0x_2>0 这句话不是废话,它就是用来指定 y=baxy=\dfrac ba x 的。用错那条会解出 x=−c5x=-\dfrac c5,与题设矛盾。
  • ∣FB∣=3∣FA∣|FB|=3|FA| 不含方向。 两种位置都要算,而且 x1<0x_1<0 排不掉异侧那种(它给 x1=−13c9x_1=-\dfrac{13c}{9},照样是负的)。真正把它枪毙的是最后一步算出 e2=2756<1e^2=\dfrac{27}{56}<1——所以那一步不能省,得真算到底。
  • e>1e>1 是双曲线的硬约束。 每次解出 c2a2\dfrac{c^2}{a^2} 都回头看一眼:小于 11 就说明这一支情形不存在,不是算错。
  • 别把 BB 当成双曲线上的点。 BB 在渐近线上,而双曲线与渐近线永不相交。把 BB 代进 x2a2−y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1 会得到 0=10=1。
  • 距离公式里的绝对值别丢(解法二)。∣3x1−c∣=8c3|3x_1-c|=\dfrac{8c}{3} 是两个方程,漏掉一支就可能把正确的那个 x1x_1 丢了。
  • bb 会自己消掉,别急着换元。 无论走哪条路,y1y_1 里的 bb 与分母 b2b^2 恰好抵消。有人一上来就设 b=kab=ka 引入新字母,反而多算一轮。

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