在平面直角坐标系 $xOy$ 中,$F$ 是抛物线 $C:{x^2} = 2py\left(p > 0\right)$ 的焦点,$M$ 是抛物线 $C$ 上位于第一象限内的任意一点,过 $M , F , O$ 三点的圆的圆心为 $Q$,点 $Q$ 到抛物线 $C$ 的准线的距离为 $\dfrac{3}{4}$.
【难度】
【出处】
2012年高考山东卷(理)
【标注】
  1. 求抛物线 $C$ 的方程;
    标注
    答案
    解析
    依题意知 $ F \left(0,{\dfrac{p}{2} }\right)$,圆心 $ Q $ 在线段 $ OF $ 的垂直平分线 $ y={\dfrac{p}{4}} $ 上,
    因为抛物线 $ C $ 的准线方程为 $ y=-{\dfrac{p}{2}} $,所以 $ {\dfrac{3p}{4}}={\dfrac{3}{4}} $,即 $ p=1 $,
    因此抛物线 $ C $ 的方程为 $ x^2=2y $.
  2. 是否存在点 $M$,使得直线 $MQ$ 与抛物线 $C$ 相切于点 $M$?若存在,求出点 $M$ 的坐标;若不存在,说明理由;
    标注
    答案
    解析
    假设存在点 $ M \left(x_0,{\dfrac{x^2_0}{2}} \right)\left(x_0>0\right) $ 满足条件,抛物线 $ C $ 在点 $ M $ 处的切线斜率为\[ y'\left| \right._{x=x_0}=\left( {\dfrac{x^2}{2}}\right) ' \left| \right._{x=x_0}=x_0 ,\]所以直线 $ MQ $ 的方程为\[ y-{\dfrac{x^2_0}{2}}=x_0\left(x-x_0\right) ,\]令 $ y={\dfrac{1}{4}} $,得 $ x_Q={\dfrac{x_0}{2}}+{\dfrac{1}{4x_0}} $,所以\[ Q \left({\dfrac{x_0}{2}}+{\dfrac{1}{4x_0}},{\dfrac{1}{4}} \right) .\]又 $ |QM|=|OQ| $,故\[ \left({\dfrac{1}{4x_0}}-{\dfrac{x_0}{2}} \right)^2+\left( {\dfrac{1}{4}}-{\dfrac{x^2_0}{2}} \right)^2= \left({\dfrac{1}{4x_0}}+{\dfrac{x_0}{2}}\right)^ 2+{\dfrac{1}{16}} .\]因此 $ \left( {\dfrac{1}{4}}-{\dfrac{x^2_0}{2}} \right)^2={\dfrac{9}{16}} $,又 $ x_0>0 $,所以 $ x_0={\sqrt{2}} $,此时 $ M\left({\sqrt{2}},1\right) $.
    故存在点 $ M\left({\sqrt{2}},1\right) $,使得直线 $ MQ $ 与抛物线 $ C $ 相切于点 $ M $.
  3. 若点 $M$ 的横坐标为 $\sqrt 2 $,直线 $l:y = kx + \dfrac{1}{4}$ 与抛物线 $C$ 有两个不同的交点 $A,B$,$l$ 与圆 $Q$ 有两个不同的交点 $D,E$,求当 $\dfrac{1}{2} \leqslant k \leqslant 2$ 时,$|AB{|^2} + |DE{|^2}$ 的最小值.
    标注
    答案
    解析
    当 $ x_0={\sqrt{2}} $ 时,由(2)得 $ Q \left({\dfrac{5{\sqrt{2}}}{8}},{\dfrac{1}{4}} \right)$,
    $ ⊙Q $ 的半径为\[ r=\sqrt{\left(\dfrac{5{\sqrt{2}}}{8} \right)^2+ \left(\dfrac{1}{4} \right)^2} =\dfrac{3\sqrt6}{8} ,\]所以 $ ⊙Q $ 的方程为\[ \left( x-{\dfrac{5{\sqrt{2}}}{8}} \right)^2+ \left(y-{\dfrac{1}{4}} \right)^2={\dfrac{27}{32}} .\]由\[ \begin{cases}y={\dfrac{1}{2}}x^2,\\y=kx+{\dfrac{1}{4}},\end{cases} \]整理得\[ 2x^2-4kx-1=0. \]设 $ A,B $ 两点的坐标分别为 $ \left(x_1,y_1\right),\left(x_2,y_2\right) $,
    由于 $ \Delta _1=16k^2+8>0 $,$ x_1+x_2=2k $,$ x_1x_2=-{\dfrac{1}{2}} $,所以\[ |AB|^2=\left(1+k^2\right)\left[\left(x_1+x_2\right)^2-4x_1x_2\right]=\left(1+k^2\right)\left(4k^2+2\right). \]由\[ \begin{cases}\left(x-{\dfrac{5{\sqrt{2}}}{8}} \right)^2+ \left(y-{\dfrac{1}{4}} \right)^2={\dfrac{27}{32}},\\y=kx+{\dfrac{1}{4}}, \end{cases}\]整理得\[ \left(1+k^2\right)x^2-{\dfrac{5{\sqrt{2}}}{4}}x-{\dfrac{1}{16}}=0.\]设 $ D,E $ 两点的坐标分别为 $ \left(x_3,y_3\right),\left(x_4,y_4\right) $,
    由于 $ \Delta _2={\dfrac{k^2}{4}}+{\dfrac{27}{8}}>0 $,$ x_3+x_4={\dfrac{5{\sqrt{2}}}{4\left(1+k^2\right)}} $,$ x_3x_4=-{\dfrac{1}{16\left(1+k^2\right)}} $,所以\[ |DE|^2=\left(1+k^2\right)\left[\left(x_3+x_4\right)^2-4x_3x_4\right]={\dfrac{25}{8\left(1+k^2\right)}}+{\dfrac{1}{4}}. \]因此\[ |AB|^2+|DE|^2=\left(1+k^2\right)\left(4k^2+2\right)+{\dfrac{25}{8\left(1+k^2\right)}}+{\dfrac{1}{4}}.\]令 $ 1+k^2=t $,由于 $ {\dfrac{1}{2}}\leqslant k\leqslant 2 $,则 $ {\dfrac{5}{4}}\leqslant t\leqslant 5 $,所以\[ |AB|^2+|DE|^2=t\left(4t-2\right)+{\dfrac{25}{8t}}+{\dfrac{1}{4}}=4t^2-2t+{\dfrac{25}{8t}}+{\dfrac{1}{4}}, \]设 $ g\left(t\right)=4t^2-2t+{\dfrac{25}{8t}}+{\dfrac{1}{4}} $,$ t\in \left[{\dfrac{5}{4}},5 \right] $,因为 $ g'\left(t\right)=8t-2-{\dfrac{25}{8t^2}} $,
    所以当 $ t\in \left[{\dfrac{5}{4}},5 \right] $,$ g'\left(t\right)\geqslant g'\left( {\dfrac{5}{4}} \right)=6 $,即函数 $ g\left(t\right) $ 在 $ t\in \left[{\dfrac{5}{4}},5\right] $ 上是增函数,
    所以当 $ t={\dfrac{5}{4}} $ 时,$ g\left(t\right) $ 取到最小值 $ {\dfrac{13}{2}} $,因此当 $ k={\dfrac{1}{2}} $ 时,$ |AB|^2+|DE|^2 $ 取到最小值 $ {\dfrac{13}{2}} $.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2 问题3 答案3 解析3 备注3
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