齐次化思想在高考中的应用
最值问题:
例1.$已知正数a,bv满足a+b=2,求\frac{1}{a} +\frac{1}{ab} 的最小值$
$\frac{1}{a} +\frac{1}{ab}=\frac{a+b}{2a} +\frac{(a+b)^2}{4ab}$齐次化。
例2.重庆市巴蜀中学2023年高二下学期末。对于任意的正实数$a,b,c$,满足$b+c=1,则\frac{3ab^2+a}{bc}+\frac{12}{a+1}的最小值为(12\sqrt2-6)$
$\frac{3ab^2+a}{bc}+\frac{12}{a+1}=a\cdot\frac{3b^2+1}{bc} +\frac{12}{a+1}$
$\frac{3ab^2+a}{bc}+\frac{12}{a+1}=a\cdot\frac{3b^2+1}{bc} +\frac{12}{a+1}$
$=a\cdot \frac{4b^2+c^2+2bc}{bc}+ \frac{12}{a+1}$
$=a\cdot (\frac{4b}{c} +\frac{c}{b} +2)+ \frac{12}{a+1}$
$\ge a\cdot (2\sqrt{\frac{4b}{c}\frac{c}{b}} +2)+ \frac{12}{a+1} $当且仅当$c=2b$时,取=
=$6a+ \frac{12}{a+1} =6(a+1)+\frac{12}{a+1}-6$
$\ge 2\sqrt{6(a+1)\frac{12}{a+1} }-6 $当且仅当$a=\sqrt2-1$时取=
$=12\sqrt{2}-6$
补充题:已知$a>0,b>0,c>0,且b+c=\sqrt{6},则\frac{ac^2+2a}{bc} +\frac{4}{a+1}$ 的最小值是($\qquad$) *10-10
解:原式=$\cfrac{a(c^2+2)}{bc}+\cfrac{4}{a+1} $
$\cfrac{c^2+2}{bc}=\cfrac{c^2+\frac{(b+c)^2}{3} }{bc}= \cfrac{4c^2+2bc+b^2}{3bc}=\cfrac{2}{3}+\cfrac{4c}{3b} +\cfrac{b}{3c}+\ge =\cfrac{2}{3}+2\sqrt{\cfrac{4}{9} }=2$
$原式=2a+\cfrac{4}{a+1} =2(a+1)+\cfrac{4}{a+1}-2\ge 2\sqrt{2(a+1)\cdot \cfrac{4}{a+1} } -2=4\sqrt{2}-2$
$当且仅当\begin{cases}\cfrac{4c}{3b} &=\cfrac{b}{3c}; \\ a+1&=\cfrac{2}{a+1}\end{cases}$取等号
补充题2:$a>0,b>0,求\cfrac{ab+b}{a^2+b^2+1} 的最大值\qquad$非齐次,10-10
原式$=\cfrac{b(a+1)}{a^2+b^2+1} =\cfrac{a+1}{\cfrac{a^2+1}{b} +b} \le \cfrac{a+1}{2\sqrt{a^2+1} } =\cfrac{1}{2}\cfrac{a+1}{\sqrt{a^2+1} }= \cfrac{1}{2} \cdot \sqrt{\cfrac{a^2+2a+1}{a^2+1} } $
$=\frac{1}{2} \cdot \sqrt{1+\frac{2a}{a^2+1} } \le \frac{1}{2}\sqrt{1+\frac{2a}{2a}}=\frac{\sqrt{2} }{2} $
补充题3:$x>0,y>0,且满足\cfrac{1}{x+3y} +\cfrac{1}{2x+y}=1,求x+y最小值$
$x+y=\cfrac{1}{5} (\cfrac{1}{x+3y} +\cfrac{2}{4x+2y} )(x+3y+4x+2y)$=$x+y=\frac{1}{5} [3+\frac{2(x+3y)}{4x+2y} +\frac{4x+2y}{x+3y} ]\ge\frac{1}{5}(3+2\sqrt{2} )$
当且仅当$\begin{cases}\frac{1}{x+3y} +\frac{1}{2x+y} =1\\\frac{2x+6y}{4x+2y} =\frac{4x+2y}{x+3y}\end{cases}$时取等
例3.$已知a,b\in R^+,a+b=1,则:$
$(1)\frac{1}{a+2}+\frac{1}{b+1}$的最小值是____
$(2)\frac{1}{a}(b+\frac{1}{b})$的最小值是____
$(3)\frac{3a^2+1}{ab}$的最小值是____
例4.已知$a,b$为正实数$,a+2b=1,则\cfrac{b^2+a+1}{2ab}$ 的最小值为($\qquad$)
例5.已知$b>a>0,2a+b=ab,则\frac{4}{2a-1} +\frac{1}{b-2} $的最小值为($\qquad$) (10-11)
解:由已知$2a+b=ab\Rightarrow b=\frac{2a}{a-1} , 原式=\frac{4}{2a-1} +\frac{1}{\frac{2a}{a-1} -2} =\frac{4}{2a-1}+\frac{a-1}{2}=\frac{4}{2a-1}+\frac{2a-1}{4}-\frac{1}{4}=\frac{7}{4}$
例6:已知$a,b$为正实数$a+b+3=ab$ 则$a+b$的最小值为($\qquad$) ,求谁保留谁
由$a+b+3=ab\Rightarrow \begin{cases} a+b&=ab-3\\ab&\le \frac{(a+b)^2}{4} \end{cases}\quad \Rightarrow a+b\le \frac{(a+b)^2}{4} -3$,换元设$ t=a+b, 得4t\le t^2-12\Rightarrow t^2-4t-12\ge0 \Rightarrow (t-6)(t+2)\ge0,故t\ge 6$
例7:已知$a,b$为正实数$ab+a+b=8$,下列说法正确的是( )
$A.ab的最大值是2; \quad B.a+b的最小值是4; \quad C.a+2b的最小值是6\sqrt{2} -3 \quad D.\frac{1}{a(b+1)}+\frac{1}{b}的最小值为\frac{1}{2}$
解:$ B.解:由ab+a+b=8\Rightarrow a(b+1)+b+1=9\Rightarrow (a+1)(b+1)=9\Rightarrow (a+1)(b+1)\le \frac{(a+1+b+1)^2}{4}$
$(a+1+b+1)^2\ge 36 \Rightarrow a+b+2\ge 6 $
$A,ab+a+b\ge ab+2\sqrt{ab}\Rightarrow 8\ge ab +2\sqrt{ab} 换元,令\sqrt{ab} =t,得t^2+2t-8\le0$
$(t+4)(t-2)\le 0\Rightarrow t\gt0,t+4\gt 4,t\ge 2,t^2=ab\ge 4$
$C.a+2b=(a+1)+2(b+1)-3\ge2\sqrt{2(a+1)(b+1)}-3=2\sqrt{2\times 9}-3=6\sqrt{2} -3 $
$D.ab+a+b=8\Rightarrow a(b+1)+b=8\Rightarrow
\frac{1}{a(b+1)} +\frac{1}{b} =2+\frac{b}{a(b+1)} +\frac{a(b+1)}{b}\ge 4$
$8[\frac{1}{a(b+1)} +\frac{1}{b} ]\ge 4$
三角函数
$已知函数f(x)=\frac{\sin x}{1+\cos x}+\frac{8}{1-\cos x} (0<x<\pi),则f(x)的最小值是(\quad)$
齐次化操作
$\frac{\sin x}{1+\cos x}=\frac{2\sin \frac{x}{2} \cos \frac{x}{2}}{1+2\cos ^2\frac{x}{2}-1 } =\tan \frac{x}{2}$
$\frac{8}{1-\cos x}=\frac{8(\sin^2\frac{x}{2}+\cos ^2\frac{x}{2}) }{1-(1-2\sin^2\frac{x}{2})}=4(1+\frac{1}{\tan^2\frac{x}{2}})$
$f(x)=\tan \frac{x}{2}+\frac{4}{\tan^2\frac{x}{2}}+4=\frac{1}{2}\tan\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\tan\frac{x}{2}+\frac{4}{\tan^2\frac{x}{2}}+4\ge 3\sqrt[3]{\frac{\tan \frac{x}{2} }{2}\frac{\tan \frac{x}{2} }{2} \frac{4}{\tan ^2\frac{x}{2} } }+4$
$ \because \tan\frac{x}{2} >0,当\frac{1}{2}\tan\frac{x}{2} =4\tan^2\frac{x}{2} 时 ,即\tan\frac{x}{2}=2时,f(x)_{min}=7$
$作业:3\sin ^2x+2\sin x\cos x=1$
圆锥曲线齐次化:
1、适用情景:题目中,出现了一个定点引出的两条动直线的斜率之和$k_1+k_2$或斜率乘积中$k_1×k_2$为定值时,优先考虑使用齐次化的技巧。
2、用法:必须先把该定点平移至原点的位置,然后将两个动点所成的直线假设为截距式$mx+ny=1$,再联立即可。
3、讨论$mx+ny=1$,该直线可以表示不过原点的所有直线。
例1:椭圆
2020山东:已知椭圆$C:\cfrac{x^2}{6}+ \cfrac{y^2}{3}=1过点A(2,1).点M,N在C上,且AM\perp AN,AD\perp MN,D$为垂足.证明存在定点$Q,使得|DQ|为定值.$
$分析: 显然D点是动点,定点G,且|DQ|为定值{\color{Red} \Leftrightarrow } Q点为圆心,|DQ|为半径的圆$
$点A左移2个单位,下移1个,平移到原点A^{'}(0,0)$
设$M^{'}(x_1,y_1),N^{'}(x_2,y_2)$
$ \frac{(x+2)^2}{6}+\frac{(y+1)^2}{3}=1$
$l_{M'N'}:\quad mx+ny=1$✔👍这步很重要,是齐次化的关键!一次项乘以它变成二次项。
$x^2+2y^2+4x+4y=0$下一步化齐次化,$4(x+y)乘以mx+ny$
$x^2+2y^2+4(x+y)(mx+ny)=0$
$(4n+2)y^2+(4m+4n)xy+(4m+1)x^2=0$两边同除以$x^2$,令$t=\frac{y}{x}$
$(4n+2)t^2+(4m+4n)t+(4m+1)=0$
$\because AM\perp AN\therefore k_{A'M'}k_{A'N'}=-1$
即$ t_1t_2=\frac{y_1}{x_1} \frac{y_2}{x_2}=\frac{4m+1}{4n+2}=-1$
$4m+1=-4n-2\Leftrightarrow m(-\frac{4}{3})+n(-\frac{4}{3} )=1$
$ \therefore M'N'过定点B'(-\frac{4}{3} ,-\frac{4}{3})$
$ \therefore MN过定点B(\frac{2}{3} ,-\frac{1}{3} )$
$\because AD\perp MN\therefore \angle ADB=90^{\circ}$
$\therefore D在AB为直径的圆上。Q即圆心,AB中点Q(\frac{4}{3} ,\frac{1}{3})$
$\therefore |DQ|=\frac{|AB|}{2} =\frac{2\sqrt{2} }{3}$
$法二:齐次但不平移$
$设直线l_{MN}:m(x-2)+n(y-1)=1\quad(直线斜率存在,且不过A(2,1))$
$\Rightarrow
{\color{Red} (x-2+2)^2+2(y-1+1)^2-6=0\Rightarrow (x-2)^2+4(x-2)+2(y-1)^2+4(y-1)=0 }$
$齐次化:{\color{Green} (x-2)^2+4(x-2){\color{Red} [m(x-2)+n(y-1)]} +2(y-1)^2+4(y-1){\color{Red} [m(x-2)+n(y-1)]} =0}$
$ 两边除以(x-2)^2;得(4n+2)\cdot (\cfrac{y-1}{x-2})^2+(4m+4n) \cdot \cfrac{y-1}{x-2})+4m+1=0$
${\color{Red} \cfrac{y_1-1}{x_1-2}\cdot \cfrac{y_2-1}{x_2-2}=-1=\cfrac{4m+1}{4n+2}}$
例二:椭圆
2015年陕西卷题目:如图,椭圆E:$\cfrac{x^2}{a^2}+\cfrac{y^2}{b^2}=1(a>b>0)$经过A(0,-1),且离心率为$\frac{\sqrt2}{2}.$
(1)求椭圆E的方程;$\cfrac{x^2}{2}+y^2=1$
(2)经过点$(1,1)$,且斜率为k的直线与椭圆E交于不同的两点$P,Q$(均异于点A),证明:直线AP与AQ的斜率之和为2.
$分析设AB两点坐标为(x_1,y_1)和(x_2,y_2),要证K_{AP}+K_{BP}=\cfrac{y_1-1}{x_1} +\cfrac{y_2-1}{x_2} =2$
$故要对直线及曲线进行变形$
$解:x^2+2y^2-2=0\Rightarrow x^2+2({\color{Red} y+1} -1)^2-2=0\Rightarrow $
$x^2+2(y+1)^2-4(y+1)=0$
$设过点(1,1)的直线方程为:mx+n(y+1)=1(直线斜率存在,且不过(0,1))$
${\color{Red} \Rightarrow m+2n=1,m=1-2n}$
$齐次化:一次项乘上mx+n(y+1),得x^2+2(y+1)^2-4(y+1)[x^2+2(y+1)^2-4(y+1)]=0$
$\Rightarrow (2-4n)(y+1)^2+4mx(y+1)+x^2=0,两边除以x^2$
$(2-4n)\cdot (\cfrac{y+1}{x})^2-4m \cdot \cfrac{y+1}{x}+1=0$
${\color{Red} \Rightarrow \cfrac{y_1-1}{x_1} +\cfrac{y_2-1}{x_2}=\cfrac{4m}{2-4n}=\cfrac{4(1-2n)}{2-4n}=2 }$
例三:椭圆
2020年重庆北碚区一诊:在平面直角坐标系$XOY$中,已知椭圆$$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1(a>b>0)$$的焦距为2,离心率为 $\frac{\sqrt{2} }{2},$右顶点为A。
(1)求该椭圆方程;$\frac{x^2}{2} +y^2 =1$
(2)过$$D(\sqrt{2},-\sqrt{2})$$作直线PQ交椭圆于两个不同点P,Q,求证直线AP,AQ的斜率之和为定值。(为$1$)
解(2)法一:$\begin{cases} y=kx+m\\b^2x^2+a^2y^2=a^2b^2 \end{cases}$$\Rightarrow (b^2+a^2k^2)x^2+2a^2kmx+a^2(m^2-b^2)=0$
$x_1+x_2=\frac{-2kma^2}{b^2+a^2m^2} $
$x_1x_2=\frac{a^2(m^2-b^2)}{b^2+a^2k^2}$(记熟这两个结果,考试直接用)
$A点(\sqrt{2},0),设P(x_1,y_1),Q(x_2,y_2),即证\frac{y_1}{x_1-\sqrt{2}}+\frac{y_2}{x_2-\sqrt{2}}=(1)为定值$
为简化计算换元 令$t=x-\sqrt{2},故x=t+\sqrt{2},只需要证\frac{y_1}{t_1}+\frac{y_2}{t_2}为定值 $
$直线l_{PQ}:y=k(x-\sqrt{2})-\sqrt{2} =kt-\sqrt{2},$
$x^2+2y^2-2=0,换元后(t+\sqrt2)^2+2(kt-\sqrt2)^2-2=0$
$(2k^2+1)t^2-(4\sqrt2k-2\sqrt2)t+4=0$
$t_1+t_2=\frac{4\sqrt2k-2\sqrt2}{2k^2+1}$
$t_1t_2=\frac{4}{2k^2+1}$
$\frac{y_1}{t_1}+\frac{y_2}{t_2}=\frac{t_2y_1+t_1y_2}{t_1t_2}$
$y_1=kt_1-\sqrt{2}$
$y_2=kt_2-\sqrt{2}$
$t_2y_1+t_1y_2=kt_1t_2-\sqrt{2}(t_1+t_2)$
$\frac{y_1}{t_1}+\frac{y_2}{t_2}=\frac{t_2y_1+t_1y_2}{t_1t_2}=\frac{2kt_1t_2-\sqrt{2}(t_1+t_2) }{t_1t_2}=2k-\frac{\sqrt{2}(t_1+t_2) }{t_1t_2}=2k-\frac{\sqrt{2}(4\sqrt{2}k-2\sqrt{2})}{4}=1$
法二:平移齐次法
平移不改变直线的斜率,将图形整体左移两个单位,目的让A点坐标从 $(\sqrt2,0),移动到A^{'}(0,0)$
这样的话,$k_{AP}+k_{AQ}就变成\frac{y_1}{x_1} +\frac{y_2}{x_2}$,相应地,D,P,Q,椭圆也左移两个单位。
右顶点A坐标为$(\sqrt2,0),$将椭圆$\frac{x^2}{2} +y^2 =1$整体向左移$\sqrt2$个单位,顶点变$A^{'}为(0,0),$椭圆方程变为$(x+\sqrt2)^2+2y^2-2=0,D点变为D^{'}(0,-\sqrt2)$
设过D'点的直线方程为$mx+ny=1$
$ mx+ny=1$
$(x+\sqrt2)^2+2y^2-2=0$
$x^2+2y^2+2\sqrt{2} x=0$
$x^2+2y^2+2\sqrt{2} x\cdot (mx+ny)=0\Rightarrow $
$(2\sqrt{2}m+1)x^2+2y^2+2\sqrt{2} nxy=0$
两边除以$x^2,得2(\frac{y}{x})^2+2\sqrt{2} n\frac{y}{x}+(1+2\sqrt{2} m) =0$
$\frac{y_1}{x_1} +\frac{y_2}{x_2} =-\frac{2\sqrt{2}n }{2},直线经过D^{’}(0,-\sqrt{2}),代入mx+ny=1,解得n=-\frac{1}{\sqrt{2}}$
故$\frac{y_1}{x_1} +\frac{y_2}{x_2} =1$.
证法三:不平移齐次化
$分析:A点坐标为(\sqrt{2},0),P,Q坐标设为(x_1,y_1)和(x_2,y_2),证{\color{Green} K_{AP}+K_{AQ}=\cfrac{y_1}{x_1-\sqrt{2}} +\cfrac{y_2}{x_2-\sqrt{2}}} 为定值$
$解:x^2+2y-2=0变形为:(x{\color{Red} -\sqrt{2}+\sqrt{2}} )^2+2y-2=0\Rightarrow$
$(x-\sqrt{2})^2+2\sqrt{2}(x-\sqrt{2})+2y^2=0$
$设l_{PQ}方程为:{\color{Red} m(x-\sqrt{2}) +ny=1},(直线斜率存在,且不过A(\sqrt{2} ,0)$
$此直线过点D(\sqrt{2},-\sqrt{2}),得n=-\cfrac{\sqrt{2} }{2} $
$一次项乘以{\color{Red} m(x-\sqrt{2}) +ny}齐次化,得$
$2y^2+2\sqrt{2} (x-\sqrt{2} )[{\color{Red} m(x-\sqrt{2}) +ny}]+(x-\sqrt{2} )^2=0$
$两边除以(x-\sqrt{2} )^2,得2\times (\cfrac{y}{x-\sqrt{2} } )^2+2\sqrt{2}n \cdot \cfrac{y}{x-\sqrt{2} } +2\sqrt{2}m+1=0$
$\cfrac{y_1}{x_1-\sqrt{2} }+\cfrac{y_2}{x_2-\sqrt{2} }=-\cfrac{2\sqrt{2}n }{2}=1 $
例4.[[斜率_](https://www.bilibili.com/video/BV1GY41197Wq/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=bacb33ba9334696a1e3ce739e536f86b]
抛物线$y^2=4x$与直线$l$交抛物线于$A,B$两点,且$OA\perp OB$求证:直线$l$过定点。
$解:O点为原点,显然l不经过O,k不存在时,OA\perp OB,易得x=4$
$k存在时设直线l的方程为:mx+ny=1$
$y^2=4x\Rightarrow y^2-4x\cdot(mx+ny)=0$
$y^2-4nxy-4mx^2=0$,两边除以$x^2$
$(\frac{y}{x})^2-4n\frac{y}{x}-4m=0$
$\frac{y_1}{x_1}\cdot\frac{y_2}{x_2}=-4m=-1\Rightarrow m=\frac{1}{4}$
$\frac{1}{4}x+ny=1$过定点$(4,0)$。
例5.(2022新高考1卷):双曲线
已知点$(2,1)$在双曲线$C: \cfrac{x^2}{a^2} -\cfrac{y^2}{a^2-1} =1(a>1)$上,直线$l$交C于P,Q两点,直线AP,AQ的斜率之和为0。
$(1)求l$的斜率;
$(2)若\tan\angle PAQ=2\sqrt[]{2} ,求\bigtriangleup PAQ的面积。$
例6.2017全国1卷:椭圆
已知椭圆$\cfrac{x^2}{4} +y^2 =1$,不过点$P(0,1)$到直线与椭圆交于两点,如果直线PA,PB的斜率之和为-1,证明直线l恒过定点。
$分析:K_{PA}=\cfrac{y_1-1}{x_1-0} ,K_{Pb}=\cfrac{y_2-1}{x_2-0}, K_{PA}K_{Pb}=-1$
$解法一不平移齐次法:x^2+4y^2-4=0{\color{Red}\Rightarrow x^2+4({\color{Green} y-1} +1)^2-4=0} \Rightarrow x^2+4(y-1)^2+8(y-1)=0$
$设直线方程为:mx+n{\color{Green} (y-1)} =1,齐次化上式,得x^2+4(y-1)^2+8(y-1)[mx+n{\color{Green} (y-1)}]=0$
$(8n+4)(y-1)^2+8mx(y-1)+x^2=0两边除以x^2,得(8n+4)\times (\cfrac{y-1}{x} )^2+8m\times \cfrac{(y-1)}{x} +1=0$
$\cfrac{y_1-1}{x_1} +\cfrac{y_2-1}{x_2}=-1=\cfrac{-8m}{8n+4}$
$代入直线,8mx+8n(y-1)=8,8m=8n+4,x=2,y=-1$
${\color{Green} 解法二:双联立齐次化处理:}$
$设直线P_2A的斜率为k_1,直线P_2B的斜率为k_2$
$P_2A:y=k_1x+1,即k_1x+(1-y)=0$
$同理:P_2B:y=k_2x+1,即k_2x+(1-y)=0$
$此时将两方程合在一起:[k_1x+(1-y][k_2x+(1-y)]=0$
$这个式子就可以表示P_2A和P_2B两条直线上所有的点,化简后得到$
$k_1k_2x^2+(k_1+k_2)x(1-y)+(1-y)^2=0$
$题目中条件有k_1+k_2=-1,\cfrac{x^2}{4}+y^2=1$
$即x^2=4(1-y^2)=4(1+y)(1-y)$
$代入得4k_1k_2(1+y)(1-y)-x(1-y)+(1-y)^2=0$
$因为直线l不经过P_2(0,1),y\ne 1,1-y\ne 0,$
$所以消去(1-y)得l:4k_1k_2(1+y)-x+(1-y)=0.$
在这里,要求出直线$l所过定点,只需要联立以下方程:1+y=0和-x+(1-y)=0,解得x=2,y=-1$
即直线$l过定点(2,-1)$
例7.抛物线
设抛物线$C:y^2=2x,点A(2,0),B(-2,0),$过点A的直线$l与C交于M,N$两点。
(1)当$l与x$轴垂直时,求直线BM的方程;
(2)证明:$\angle ABM =\angle ABN.$
例8.2020年新课标I
$已知A,B分别为椭圆E:\cfrac{x^2}{a^2}+y^2=1(a>1)$左右两个顶点,G为E的上顶点,$\vec{AG} \cdot\vec{GB}=8.P为直线x=6上的动点,PA与E的另一交点为C,PB与E的另一交点为D.$
(1)求E的方程;$\cfrac{x^2}{9}+y^2=1 $
(2)证明:直线CD过定点。
例9.2017年新课标I(例6原题)
已知椭圆$C:\cfrac{x^2}{a^2}+\cfrac{y^2}{b^2}=1(a>b>0),四点P_1(1,1),P_2(0,1),P_3(-1,\frac{3}{2}),P_4(1,\frac{3}{2})$中恰有三点在椭圆$C$上。
(1)求C的方程; $\cfrac{x^2}{4} +y^2 =1$
(2)设直线$l不经过P_2$点且与C相交于$A,B$两点。若直线$P_2A$与直线$P_2B$的斜率的和为$-1$,证明:$l$过定点。
例10.抛物线[圆锥曲线齐次化_哔哩哔哩_bilibili]
设$A,B$为曲线$C:y=\frac{x^2}{4}$上的两点,$A与B$的横坐标之和为4。
(1)求直线$AB$的斜率;
(2)设$M$为曲线C上一点,C在M处的切线与直线AB平行,且$AM\perp BM,求直线AB$的方程。