已知抛物线CC:y2=2px(p>0)y^{2}=2px(p > 0),圆MM:(x−2)2+y2=4(x-2)^{2}+y^{2}=4,圆心MM到抛物线准线的距离为33,点P(x0,y0)(x0⩾5)P(x_{0},y_{0})(x_{0}\geqslant 5)是抛物线在第一象限上的点,过点PP作圆MM的两条切线,分别与xx轴交于AA,BB两点. (1)求抛物线CC的方程; (2)求△PAB\triangle PAB面积的最小值.

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完整解法

(1)

1. 写出抛物线的准线方程以及圆心坐标

由抛物线 CC:y2=2px(p>0)y^{2}=2px(p > 0) 可知,其准线方程为 x=−p2x = -\dfrac{p}{2}。
圆 MM:(x−2)2+y2=4(x-2)^{2}+y^{2}=4 的圆心为 M(2,0)M(2, 0)。

2. 根据距离条件求出 $p$ 值并写出抛物线方程

因为圆心 M(2,0)M(2,0) 到准线 x=−p2x = -\dfrac{p}{2} 的距离为 33,
所以 2−(−p2)=32 - \left(-\dfrac{p}{2}\right) = 3,解得 p=2p = 2。
故抛物线 CC 的方程为 y2=4xy^{2}=4x。

答案

y2=4xy^{2}=4x

(2)

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)y-y_{0}=k(x-x_{0})。
令 y=0y=0,解得 x=x0−y0kx=x_{0}-\dfrac{y_{0}}{k}。
所以切线与 xx 轴的交点坐标为 (x0−y0k,0)\left(x_{0}-\dfrac{y_{0}}{k}, 0\right)。

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=0kx-y+y_{0}-kx_{0}=0。
因为直线与圆 MM 相切,所以圆心 M(2,0)M(2,0) 到切线的距离等于半径 R=2R=2,
即 d=∣2k+y0−kx0∣k2+1=2d = \dfrac{|2k+y_{0}-kx_{0}|}{\sqrt{k^{2}+1}} = 2。
两边平方整理得:(x0−2)2k2−2y0(x0−2)k+y02=4(k2+1)(x_{0}-2)^{2}k^{2} - 2y_{0}(x_{0}-2)k + y_{0}^2 = 4(k^2+1)。
由于 P(x0,y0)P(x_{0},y_{0}) 在抛物线 y2=4xy^2 = 4x 上,所以 y02=4x0y_{0}^2 = 4x_{0}。
代入整理得:(x02−4x0)k2+(4y0−2x0y0)k+y02−4=0(x_{0}^{2}-4x_{0})k^{2} + (4y_{0}-2x_{0}y_{0})k + y_{0}^{2}-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,k2k_{1}, k_{2},则它们是上述关于 kk 的一元二次方程的两根。
根据根与系数的关系有:
k1+k2=2x0y0−4y0x02−4x0k_{1}+k_{2} = \dfrac{2x_{0}y_{0}-4y_{0}}{x_{0}^{2}-4x_{0}}
k1k2=y02−4x02−4x0=4(x0−1)x0(x0−4)k_{1}k_{2} = \dfrac{y_{0}^{2}-4}{x_{0}^{2}-4x_{0}} = \dfrac{4(x_{0}-1)}{x_{0}(x_{0}-4)}

4. 用 $x_0$ 表示三角形 $PAB$ 的面积并进行化简

三角形 PABPAB 的面积为:
S△PAB=12∣xA−xB∣y0=12∣(x0−y0k1)−(x0−y0k2)∣y0=12y02∣k1−k2k1k2∣S_{\triangle PAB} = \dfrac{1}{2} |x_A - x_B| y_{0} = \dfrac{1}{2} \left| \left(x_{0}-\dfrac{y_{0}}{k_{1}}\right) - \left(x_{0}-\dfrac{y_{0}}{k_{2}}\right) \right| y_{0} = \dfrac{1}{2} y_{0}^{2} \left| \dfrac{k_{1}-k_{2}}{k_{1}k_{2}} \right|
由 y02=4x0y_{0}^2 = 4x_{0} 可知:
S△PAB=2x0(k1+k2)2−4k1k2k1k2S_{\triangle PAB} = 2x_{0} \dfrac{\sqrt{(k_{1}+k_{2})^{2}-4k_{1}k_{2}}}{k_{1}k_{2}}
计算代入可得 (k1+k2)2−4k1k2=4x0−4\sqrt{(k_{1}+k_{2})^{2}-4k_{1}k_{2}} = \dfrac{4}{x_{0}-4}。
代入得 S△PAB=2x0⋅4x0−44(x0−1)x0(x0−4)=2x02x0−1S_{\triangle PAB} = 2x_{0} \cdot \dfrac{\dfrac{4}{x_{0}-4}}{\dfrac{4(x_{0}-1)}{x_{0}(x_{0}-4)}} = \dfrac{2x_{0}^{2}}{x_{0}-1}。

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=2x02x0−1=2(x0−1)2+2(x0−1)+1x0−1=2[(x0−1)+1x0−1+2]S_{\triangle PAB} = \dfrac{2x_{0}^{2}}{x_{0}-1} = 2 \dfrac{(x_{0}-1)^{2}+2(x_{0}-1)+1}{x_{0}-1} = 2 \left[ (x_{0}-1) + \dfrac{1}{x_{0}-1} + 2 \right]。
令 t=x0−1t = x_{0}-1,因为 x0≥5x_{0} \ge 5,所以 t∈[4,+∞)t \in [4, +\infty)。
设 f(t)=t+1t+2f(t) = t + \dfrac{1}{t} + 2,对其求导得 f′(t)=1−1t2=t2−1t2f'(t) = 1 - \dfrac{1}{t^{2}} = \dfrac{t^{2}-1}{t^{2}}。
当 t≥4t \ge 4 时,f′(t)>0f'(t) > 0,所以 f(t)f(t) 在 [4,+∞)[4, +\infty) 上单调递增。
因此,当 t=4t = 4 即 x0=5x_{0} = 5 时,面积取得最小值:
Smin⁡=2(4+14+2)=252S_{\min} = 2 \left( 4 + \dfrac{1}{4} + 2 \right) = \dfrac{25}{2}。
所以 △PAB\triangle PAB 面积的最小值为 252\dfrac{25}{2}。

答案

252\dfrac{25}{2}

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