1. 设出切线方程,求出其与 $x$ 轴交点的横坐标
设切线方程为 y−y0=k(x−x0)。
令 y=0,解得 x=x0−ky0。
所以切线与 x 轴的交点坐标为 (x0−ky0,0)。
2. 利用圆心到直线的距离等于半径建立关于斜率 $k$ 的二次方程
将切线方程化为一般式:kx−y+y0−kx0=0。
因为直线与圆 M 相切,所以圆心 M(2,0) 到切线的距离等于半径 R=2,
即 d=k2+1∣2k+y0−kx0∣=2。
两边平方整理得:(x0−2)2k2−2y0(x0−2)k+y02=4(k2+1)。
由于 P(x0,y0) 在抛物线 y2=4x 上,所以 y02=4x0。
代入整理得:(x02−4x0)k2+(4y0−2x0y0)k+y02−4=0。
3. 应用韦达定理写出斜率的和与积
设两条切线的斜率分别为 k1,k2,则它们是上述关于 k 的一元二次方程的两根。
根据根与系数的关系有:
k1+k2=x02−4x02x0y0−4y0
k1k2=x02−4x0y02−4=x0(x0−4)4(x0−1)
4. 用 $x_0$ 表示三角形 $PAB$ 的面积并进行化简
三角形 PAB 的面积为:
S△PAB=21∣xA−xB∣y0=21(x0−k1y0)−(x0−k2y0)y0=21y02k1k2k1−k2
由 y02=4x0 可知:
S△PAB=2x0k1k2(k1+k2)2−4k1k2
计算代入可得 (k1+k2)2−4k1k2=x0−44。
代入得 S△PAB=2x0⋅x0(x0−4)4(x0−1)x0−44=x0−12x02。
5. 求出面积函数在定义域上的最小值
将面积公式变形为:
S△PAB=x0−12x02=2x0−1(x0−1)2+2(x0−1)+1=2[(x0−1)+x0−11+2]。
令 t=x0−1,因为 x0≥5,所以 t∈[4,+∞)。
设 f(t)=t+t1+2,对其求导得 f′(t)=1−t21=t2t2−1。
当 t≥4 时,f′(t)>0,所以 f(t) 在 [4,+∞) 上单调递增。
因此,当 t=4 即 x0=5 时,面积取得最小值:
Smin=2(4+41+2)=225。
所以 △PAB 面积的最小值为 225。