解析几何之目:弦长和面积:2014年理数全国卷A题20

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2014年理科数学全国卷一题20

(20)(本小题满分12分)
已知点 A(0,-2) ,椭圆 E: \dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1 (a \gt b \gt 0) 的离心率为 \dfrac{\sqrt{3}}{2}, F 是椭圆 E 的右焦点,直线 AF 的斜率为 \dfrac{2 \sqrt{3}}{3}O 为坐标原点.

(I)求 E 的方程;
(Ⅱ)设过点 A 的动直线 lE 相交于 P,Q 两点.当 \triangle OPQ 的面积最大时,求 l 的方程.


【解答问题I】

依题意可知,直线 AF 的方程为:y= \dfrac{2 \sqrt{3}}{3} x -2 . 其与 x 轴的交点为 (\sqrt{3},0).

所以 c=\sqrt{3}, a=\dfrac{c}{e}=2, b^2=a^2-c^2=1 , 椭圆 E 的方程为:\dfrac{x^2}{4} + y^2 = 1


【问题Ⅱ分析】

注意以下的示意图,O,A,P,Q 四点可构成3个三角形(两小一大):\triangle OPQ, \triangle OAQ, \triangle OAP.

两个小三角形的面积之和等于大三角形的面积。其中,\triangle OAP\triangle OAQ 的面积计算较为容易,可以根据这两个三角形的面积,计算 \triangle OPQ 的面积。


【解答问题Ⅱ】

S_{\triangle OPQ} = S_{\triangle OAQ} - S_{\triangle OAP}

S_{\triangle OAQ}= \dfrac{1}{2} |OA| \cdot |x_{_Q}| , \; S_{\triangle OAP}= \dfrac{1}{2} |OA| \cdot |x_{_P}|

若直线 l 垂直于 x 轴,则P,Q 两点在 y 轴上, \triangle OPQ 的面积为0. 以下讨论斜率存在的情况。

因为点 Ay 轴上,所以 P,Q 两点位于 y 轴同侧,其 x 坐标同正或同负。

已知 |OA|=2 , 所以 S^2_{\triangle OPQ} = \dfrac{1}{4} \cdot 2^2 \cdot (x_{_P} - x_{_Q})^2 =(x_{_P} - x_{_Q})^2

P,Q 两点是直线与椭圆的公共点,满足以下方程:

\left\{ \begin{array} \\ y = k x -2 \\ x^2 + 4 y^2 = 4 \\ \end{array} \right.

代入消元后可得:(4k^2+1)x^2-16kx+12=0

\Delta = (-16k)^2 - 4(4k^2+1)\cdot 12 = 16(4k^2-3)

x_1+x_2= \dfrac{16k}{4k^2+1}, \; x_1 x_2 = \dfrac{12}{4k^2+1}

(x_1-x_2)^2 = 16[\dfrac{1}{4k^2+1}-\dfrac{4}{(4k^2+1)^2}]

t=\dfrac{1}{4k^2+1}, \; g(t)= t -4t^2=t(1-4t)

t=\dfrac{1}{8} 时,g(t) 取得最大值,S_{\triangle OPQ}取得最大值。

\dfrac{1}{4k^2+1}=\dfrac{1}{8} 解得 k=\pm \dfrac{\sqrt{7}}{2} , 此时 \Delta = 64 \gt 0.

综上所述,当 \triangle OPQ 的面积最大时, l 的方程为:y=\dfrac{\sqrt{7}}{2} x -2 或 y=-\dfrac{\sqrt{7}}{2} x -2 .


【提炼与提高】

三角形的面积有多种计算方法,在高考中出现频率较高。

在以上解法中,经过几何分析后,我们找到了一种计算量较小的路径。如果根据 PQ 长度及与原点的距离计算也是可以的。结论一致,但计算过程就要复杂一些。有兴趣的读者可以自行尝试,并作比较。

考场上的每一分钟都是珍贵的。要想在高考中胜出,就要养成良好的解题习惯:对解析几何问题,要先作几何分析,找出几条可行的解答路径,再粗略比较几种解法的计算成本,选择一条最优解答路径。当然,只有在平时加强训练,才能做到这一点。

关于面积公式的灵活用法,请参考下文:
用初中数学解答高考题:如何用面积公式实现转化?


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