(浙江·高考真题)已知曲线 CC 是到点 P(−12,38)P\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{8}\right) 和到直线 y=−58y=-\frac{5}{8} 距离相等的点的轨迹. ll 是过点 Q(−1,0)Q(-1,0) 的直线,MM 是 CC 上(不在 ll 上)的动点;A,BA, B 在 ll 上,MA⊥lM A \perp l,MB⊥xM B \perp x 轴(如图).

  1. (1)

    求曲线 CC 的方程;

  2. (2)

    求出直线 ll 的方程,使得 ∣QB∣2∣QA∣\frac{|Q B|^{2}}{|Q A|} 为常数.

完整解法

(1)

1. 根据抛物线定义建立轨迹方程

设曲线 CC 上任意一点的坐标为 (x,y)(x, y)。
根据题意,点 (x,y)(x, y) 到点 P(−12,38)P\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{8}\right) 的距离等于到直线 y=−58y = -\frac{5}{8} 的距离。
由距离公式可得:
(x+12)2+(y−38)2=∣y+58∣\sqrt{\left(x + \frac{1}{2}\right)^2 + \left(y - \frac{3}{8}\right)^2} = \left|y + \frac{5}{8}\right|

2. 化简方程得到曲线 $C$ 的标准形式

将方程两边平方得:
(x+12)2+(y−38)2=(y+58)2\left(x + \frac{1}{2}\right)^2 + \left(y - \frac{3}{8}\right)^2 = \left(y + \frac{5}{8}\right)^2
展开并整理:
(x+12)2+y2−34y+964=y2+54y+2564\left(x + \frac{1}{2}\right)^2 + y^2 - \frac{3}{4}y + \frac{9}{64} = y^2 + \frac{5}{4}y + \frac{25}{64}
(x+12)2=2y+14\left(x + \frac{1}{2}\right)^2 = 2y + \frac{1}{4}
x2+x+14=2y+14x^2 + x + \frac{1}{4} = 2y + \frac{1}{4}
整理得曲线 CC 的方程为 x2+x−2y=0x^2 + x - 2y = 0(或 y=12x2+12xy = \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{2}x)。

答案

x2+x−2y=0x^2 + x - 2y = 0(或 y=12x2+12xy = \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{2}x)

(2)

1. 设出直线 $l$ 的方程并表示出 $|QB|^2$

易知 Q(−1,0)Q(-1,0) 在曲线 CC 上。若直线 ll 的斜率不存在,即 l:x=−1l: x = -1,则动点 M(x0,y0)M(x_0,y_0) 满足 x0≠−1x_0 \neq -1,此时直线 MBMB 与 ll 平行无交点,不合题意。故直线 ll 的斜率存在。
设直线 ll 的方程为 y=k(x+1)y = k(x+1),即 kx−y+k=0kx - y + k = 0。
设动点 MM 的坐标为 (x0,12x02+12x0)\left(x_0, \frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right)(其中 x0≠−1x_0 \neq -1)。
因为 MB⊥xMB \perp x 轴且 BB 在直线 ll 上,所以 BB 的坐标为 (x0,k(x0+1))(x_0, k(x_0+1))。
因此:
∣QB∣2=(x0−(−1))2+(k(x0+1)−0)2=(1+k2)(x0+1)2|QB|^2 = (x_0 - (-1))^2 + (k(x_0+1) - 0)^2 = (1+k^2)(x_0+1)^2

2. 利用向量投影表示出线段 $|QA|$ 的长度

因为 MA⊥lMA \perp l,点 AA 为点 MM 在直线 ll 上的正投影,且 Q,A,BQ, A, B 均在直线 ll 上。
向量 QM→=(x0+1,12x02+12x0)=(x0+1)(1,12x0)\overrightarrow{QM} = \left(x_0+1, \frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right) = (x_0+1)\left(1, \frac{1}{2}x_0\right)。
直线 ll 的单位方向向量为 u⃗=(1,k)1+k2\vec{u} = \frac{(1, k)}{\sqrt{1+k^2}}。
所以 ∣QA∣|QA| 的长度等于向量 QM→\overrightarrow{QM} 在直线 ll 上的投影长度:
∣QA∣=∣QM→⋅u⃗∣=∣(x0+1)⋅1+(12x02+12x0)⋅k∣1+k2=∣x0+1∣⋅∣1+12kx0∣1+k2|QA| = |\overrightarrow{QM} \cdot \vec{u}| = \frac{\left|(x_0+1)\cdot 1 + \left(\frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right)\cdot k\right|}{\sqrt{1+k^2}} = \frac{|x_0+1| \cdot \left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|}{\sqrt{1+k^2}}

3. 计算比值表达式,利用常数条件求出斜率 $k$ 及直线方程

将 ∣QB∣2|QB|^2 和 ∣QA∣|QA| 代入比值表达式得:
∣QB∣2∣QA∣=(1+k2)(x0+1)2∣x0+1∣⋅∣1+12kx0∣1+k2=(1+k2)32⋅∣x0+1∣∣1+12kx0∣\frac{|QB|^2}{|QA|} = \frac{(1+k^2)(x_0+1)^2}{\frac{|x_0+1| \cdot \left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|}{\sqrt{1+k^2}}} = (1+k^2)^{\frac{3}{2}} \cdot \frac{|x_0+1|}{\left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|}
要使 ∣QB∣2∣QA∣\frac{|QB|^2}{|QA|} 对任意 x0≠−1x_0 \neq -1 恒为常数,当且仅当 ∣x0+1∣∣1+12kx0∣\frac{|x_0+1|}{\left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|} 与 x0x_0 无关。
改写分母:1+12kx0=12k(x0+2k)1 + \frac{1}{2}kx_0 = \frac{1}{2}k\left(x_0 + \frac{2}{k}\right)。
要使分母与分子中的 (x0+1)(x_0+1) 成比例,必须有 2k=1\frac{2}{k} = 1,解得 k=2k = 2。
当 k=2k = 2 时,∣1+12kx0∣=∣x0+1∣\left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right| = |x_0 + 1|,化简得比值 ∣QB∣2∣QA∣=(1+22)32=55\frac{|QB|^2}{|QA|} = (1+2^2)^{\frac{3}{2}} = 5\sqrt{5} 为常数。
故直线 ll 的方程为 y=2(x+1)y = 2(x+1),即 2x−y+2=02x - y + 2 = 0。

答案

2x−y+2=02x - y + 2 = 0(或 y=2x+2y = 2x + 2)

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