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7.1 最值问题

抛物线的定义、标准方程与几何性质 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用双曲线定义及几何性质,求解与双曲线上点相关的距离、面积或参数最值的问题。

从哪来 本知识点建立在 4.1 焦半径公式、5.2 弦长公式 以及 1.1 第一定义 之上。核心逻辑是将代数最值问题转化为几何距离问题,或利用焦半径公式将曲线上的点坐标消去,转化为关于参数(如离心率、横坐标)的函数求最值。

为什么 双曲线最值问题的本质是约束条件下的优化问题。 1. 几何约束:点 $P$ 在双曲线上,满足 $||PF_1| - |PF_2|| = 2a$。这意味着两个焦半径之差是定值,但各自的大小是变化的。 2. 代数转化:直接对 $x, y$ 求导往往复杂。利用焦半径公式 $|PF_1| = |ex \pm a|$,可以将几何距离转化为关于 $x$ 的一次函数。 3. 定义驱动:根据第一定义,三角形周长或差值的最值,往往对应着三角形退化为直线(三点共线)的临界状态,或者对应着顶点位置。理解“为什么”的关键在于看到代数式背后的几何意义(如距离和、距离差)。

【代数消元法】** **适合学生
逻辑严密、擅长计算、对几何直观不敏感的学生。 核心步骤: 1. 设点 $P(x, y)$ 在双曲线上。 2. 利用焦半径公式 $|PF_1| = |ex + a|$(左支取负,右支取正,需结合焦点位置判断)将目标函数中的距离项替换为 $x$ 的表达式。 3. 利用双曲线方程 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1$ 确定 $x$ 的取值范围($|x| \ge a$)。 4. 将问题转化为关于 $x$ 的函数 $f(x)$,利用单调性或二次函数性质求最值。 示例逻辑:求 $|PF_1| + |PF_2|$ 的最小值。 由定义 $||PF_1| - |PF_2|| = 2a$,不妨设 $P$ 在右支,则 $|PF_2| - |PF_1| = 2a \Rightarrow |PF_2| = |PF_1| + 2a$。 目标变为 $2|PF_1| + 2a$。 由焦半径公式 $|PF_1| = ex + a$($F_1$ 为左焦点,$P$ 在右支,$x>0$)。 故目标 $= 2(ex+a) + 2a = 2ex + 4a$。 因为 $x \ge a$,且 $e > 1$,所以当 $x=a$ 时取最小值 $6a$。
【几何定义法(三角形不等式)】** **适合学生
空间想象力强、喜欢直观图形、计算能力稍弱的学生。 核心步骤: 1. 画出双曲线、焦点 $F_1, F_2$ 及动点 $P$。 2. 识别目标式子的几何意义(如 $|PF_1| + |PF_2|$ 是 $\triangle PF_1F_2$ 的两边之和)。 3. 利用三角形两边之和大于第三边或两边之差小于第三边寻找临界状态。 4. 判断临界状态是否可达(即三点是否共线,且共线时点 $P$ 是否在双曲线上)。 示例逻辑:求 $|PF_1| + |PF_2|$ 的最小值。 由三角形不等式,$|PF_1| + |PF_2| > |F_1F_2| = 2c$。 但是!双曲线定义是 $||PF_1| - |PF_2|| = 2a$。 若 $P$ 在右支,$|PF_2| - |PF_1| = 2a \Rightarrow |PF_2| = |PF_1| + 2a$。 代入得 $|PF_1| + |PF_2| = 2|PF_1| + 2a$。 要使和最小,需 $|PF_1|$ 最小。 几何上,$P$ 到左焦点 $F_1$ 的距离,当 $P$ 位于右顶点时最近(因为双曲线向右开口,越往右离左焦点越远?不对,是越靠近顶点离左焦点越近吗?需画图确认。右顶点 $(a,0)$,左焦点 $(-c,0)$,距离 $a+c$。若 $P$ 趋向无穷远,距离趋向无穷大。所以最小值在顶点处取得)。 此时 $|PF_1| = a+c$。 最小值 $= 2(a+c) + 2a = 4a + 2c$。 *注:此法需特别注意“共线”时点 $P$ 的位置是否在双曲线上。对于和的最值,通常取顶点;对于差的最值,往往不存在最小值(趋向于 $2a$)或取无穷大。*
【参数方程法】** **适合学生
熟悉三角函数、喜欢统一变量处理、对代数变形有畏难情绪的学生。 核心步骤: 1. 设双曲线参数方程 $x = a \sec \theta, y = b \tan \theta$(或 $x = a \cosh t, y = b \sinh t$,高中通常用 $\sec, \tan$ 或保留 $x,y$ 关系)。 *更常用的高中技巧*:设 $P(x,y)$,利用 $y^2 = b^2(\frac{x^2}{a^2}-1)$ 进行代换。 2. 将目标函数中的 $y$ 全部用 $x$ 表示,或者将 $x, y$ 都用参数表示。 3. 利用三角函数的有界性($-1 \le \sin \theta \le 1$)或二次函数判别式求最值。 示例逻辑:求双曲线 $\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{12} = 1$ 上一点 $P$ 到直线 $x - y + 10 = 0$ 的最短距离。 设 $P(2\sec \theta, 2\sqrt{3}\tan \theta)$。 距离 $d = \frac{|2\sec \theta - 2\sqrt{3}\tan \theta + 10|}{\sqrt{2}}$。 分子 $= 2|\frac{1 - \sqrt{3}\sin \theta}{\cos \theta} + 10|$。 此法计算量较大,通常用于点到直线距离或斜率最值问题,对于焦半径问题,讲法A更优。此处作为补充,强调统一变量的思想。
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练一道
基础题
已知双曲线 $C: \frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{12} = 1$ 的左、右焦点分别为 $F_1, F_2$,点 $P$ 在双曲线 $C$ 的右支上,求 $|PF_1| + |PF_2|$ 的最小值。
变式
已知双曲线 $\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 (a>0, b>0)$ 的离心率为 $2$,左焦点为 $F_1$,右焦点为 $F_2$,点 $P$ 在双曲线右支上,且 $|PF_1| = 4|PF_2|$,求 $\triangle PF_1F_2$ 的面积。
看解答过程
1. 确定参数:$a^2=4 \Rightarrow a=2$,$b^2=12$,$c^2 = a^2+b^2 = 16 \Rightarrow c=4$。 2. 利用定义转化: 因为 $P$ 在右支,由双曲线第一定义知:$|PF_1| - |PF_2| = 2a = 4$。 所以 $|PF_1| = |PF_2| + 4$。 3. 代入目标式: $|PF_1| + |PF_2| = (|PF_2| + 4) + |PF_2| = 2|PF_2| + 4$。 4. 求 $|PF_2|$ 的最小值: $|PF_2|$ 表示右支上的点 $P$ 到右焦点 $F_2(4,0)$ 的距离。 根据几何性质,右支上离右焦点最近的点是右顶点 $A(2,0)$。 此时 $|PF_2|_{min} = c - a = 4 - 2 = 2$。 (或者使用焦半径公式:$|PF_2| = ex - a = 2x - 2$,因 $x \ge 2$,故最小值为 $2(2)-2=2$)。 5. 计算最终结果: 原式最小值 $= 2 \times 2 + 4 = 8$。
试试手自己判
检测题
已知双曲线 $\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{16} = 1$ 的左、右焦点分别为 $F_1, F_2$,点 $P$ 在双曲线的右支上,且 $|PF_1| = 5|PF_2|$,求 $\triangle PF_1F_2$ 的面积。
看答案和判分标准
答案:$12\sqrt{15}$
判对标准:
1. 正确求出 $a=3, b=4, c=5$。(2分)
2. 利用
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