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21解析几何★★★★★
如图,OO 为坐标原点,椭圆 C1:x2a2+y2b2=1C_1: \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1(a>b>0a > b > 0) 的左,右焦点分别为 F1F_1,F2F_2,离心率为 e1e_1;双曲线 C2:x2a2−y2b2=1C_2: \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 的左,右焦点分别为 F3F_3,F4F_4,离心率为 e2e_2. 已知 e1e2=32e_1 e_2 = \frac{\sqrt{3}}{2},且 ∣F2F4∣=3−1|F_2 F_4| = \sqrt{3} - 1.
(1) 求 C1C_{1},C2C_{2} 的方程; (2) 过 F1F_{1} 作 C1C_{1} 的不垂直于 yy 轴的弦 ABAB,MM 为弦 ABAB 的中点. 当直线 OMOM 与 C2C_{2} 交于 PP,QQ 两点时,求四边形 APBQAPBQ 面积的最小值.
\begin{solution} 设椭圆和双曲线的焦距参数分别为 c=a2−b2c=\sqrt{a^2-b^2},d=a2+b2d=\sqrt{a^2+b^2}. 则 e1=cae_1=\frac{c}{a},e2=dae_2=\frac{d}{a},从而 e12+e22=c2+d2a2=2e_1^2+e_2^2=\frac{c^2+d^2}{a^2}=2,e12e22=34e_1^2e_2^2=\frac34. 所以 e12e_1^2、e22e_2^2 是方程 u2−2u+34=0u^2-2u+\frac34=0 的两个根,即 12\frac12、32\frac32. 由于椭圆离心率小于 11,有 e1=12e_1=\frac{1}{\sqrt2},e2=32e_2=\sqrt{\frac32}. 又因为 F2=(c,0)F_2=(c,0),F4=(d,0)F_4=(d,0),所以
a(e2−e1)=d−c=3−1a(e_2-e_1)=d-c=\sqrt3-1
而 e2−e1=3−12e_2-e_1=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt2},故 a=2a=\sqrt2. 于是 c=1c=1,b2=a2−c2=1b^2=a^2-c^2=1,即 C1:x22+y2=1C_1:\frac{x^2}{2}+y^2=1,C2:x22−y2=1C_2:\frac{x^2}{2}-y^2=1.
第二问先设弦 ABAB 的斜率为 kk,由于题设排除了垂直于 yy 轴的水平弦,故 k≠0k\ne0. 直线方程为 y=k(x+1)y=k(x+1). 与椭圆联立得
(1+2k2)x2+4k2x+2k2−2=0(1+2k^2)x^2+4k^2x+2k^2-2=0
由根与系数的关系,弦中点为
M(−2k21+2k2,k1+2k2)M\left(-\frac{2k^2}{1+2k^2},\frac{k}{1+2k^2}\right)
因此直线 OMOM 的方向向量可取 (−2k,1)(-2k,1). 令该直线上的点为 (x,y)=t(−2k,1)(x,y)=t(-2k,1),代入 C2C_2 得
(2k2−1)t2=1(2k^2-1)t^2=1
由于题设要求有两个交点,必须有 k2>12k^2>\frac12,此时
PQ=24k2+12k2−1PQ=\frac{2\sqrt{4k^2+1}}{\sqrt{2k^2-1}}
设椭圆交点的横坐标之差的绝对值为 ∣Δx∣|\Delta x|. 由上面二次方程的判别式,
∣Δx∣=22(1+k2)1+2k2|\Delta x|=\frac{2\sqrt{2(1+k^2)}}{1+2k^2}
所以
AB=∣Δx∣1+k2=22(1+k2)1+2k2AB=|\Delta x|\sqrt{1+k^2}=\frac{2\sqrt2(1+k^2)}{1+2k^2}
四边形 APBQAPBQ 的两条对角线为 ABAB、PQPQ,且交点为 MM. 因此用向量行列式计算面积,注意
det⁡(1k−2k1)=1+2k2\det\begin{pmatrix}1&k\\-2k&1\end{pmatrix}=1+2k^2
得到
S=12∣Δx∣⋅22k2−1(1+2k2)=22(1+k2)2k2−1S=\frac12|\Delta x|\cdot\frac{2}{\sqrt{2k^2-1}}(1+2k^2) =\frac{2\sqrt{2(1+k^2)}}{\sqrt{2k^2-1}}
有限斜率下
S2=8(1+k2)2k2−1=4+122k2−1>4S^2=\frac{8(1+k^2)}{2k^2-1}=4+\frac{12}{2k^2-1}>4
还需考虑 AB∥yAB\parallel y 轴的情形,此时弦为 x=−1x=-1,其中点为 M=(−1,0)M=(-1,0),直线 OMOM 为 xx 轴,与双曲线交于 (−2,0)(-\sqrt2,0)、(2,0)(\sqrt2,0). 此时 AB=2AB=\sqrt2,PQ=22PQ=2\sqrt2,故 S=2S=2. 因而四边形 APBQAPBQ 面积的最小值为 22. \end{solution}

2014 · 湖南 · 理 · 第 21 题 · 解答题

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19解析几何★★★★★
已知椭圆的中心在原点,一个焦点是 F(2,0)F(2,0),且两条准线间的距离为 λ\lambda(λ>4\lambda > 4).
(1) 求椭圆的方程; (2) 若存在过点 A(1,0)A(1,0) 的直线 ll,使点 FF 关于直线 ll 的对称点在椭圆上,求 λ\lambda 的取值范围.
\begin{solution} 设椭圆的长半轴为 aa,短半轴为 bb,半焦距为 cc,离心率为 ee. 因为焦点为 F(2,0)F(2,0),所以 c=2c=2,且 a2−b2=c2=4a^2-b^2=c^2=4. 椭圆的两条准线分别为 x=aex=\frac{a}{e} 和 x=−aex=-\frac{a}{e},故 λ=2ae=2a2c=a2\lambda=\frac{2a}{e}=\frac{2a^2}{c}=a^2. 从而 a2=λa^2=\lambda,b2=λ−4b^2=\lambda-4.
\begin{enumerate} \item 椭圆的方程为
x2λ+y2λ−4=1\frac{x^2}{\lambda}+\frac{y^2}{\lambda-4}=1
\item 设点 FF 关于直线 ll 的对称点为 F′F'. 因为直线 ll 经过 AA,反射保持点到 AA 的距离不变,所以 AF′=AF=1AF'=AF=1,即 F′F' 在圆 (x−1)2+y2=1\left(x-1\right)^2+y^2=1 上. 反过来,圆上任一点都可以取 AFAF 与 AF′AF' 的角平分线作为反射轴(当 F′=FF'=F 时取直线 AFAF),因此题设条件等价于该圆与椭圆有公共点.
由圆的方程得 y2=2x−x2y^2=2x-x^2,且 0⩽x⩽20\leqslant x\leqslant2. 代入椭圆方程,得
x2λ+2x−x2λ−4=1\frac{x^2}{\lambda}+\frac{2x-x^2}{\lambda-4}=1
即 4x2−2λx+λ(λ−4)=04x^2-2\lambda x+\lambda\left(\lambda-4\right)=0. 该方程有实根的充要条件是
Δ=4λ(16−3λ)⩾0\Delta=4\lambda\left(16-3\lambda\right)\geqslant0
结合 λ>4\lambda>4,可得 4<λ⩽1634<\lambda\leqslant\frac{16}{3}.
还需验证此范围内的根确实给出圆上的点. 当 4<λ⩽1634<\lambda\leqslant\frac{16}{3} 时,方程的根为 x=λ±λ(16−3λ)4x=\frac{\lambda\pm\sqrt{\lambda\left(16-3\lambda\right)}}{4}. 由 λ>4\lambda>4 可知较小的根大于 00,而 λ(16−3λ)⩽(8−λ)2\lambda\left(16-3\lambda\right)\leqslant\left(8-\lambda\right)^2,所以较大的根不超过 22. 因而至少有一个根属于 [0,2][0,2],此时 y2=x(2−x)⩾0y^2=x\left(2-x\right)\geqslant0,公共点确实存在. \end{enumerate} \end{solution}

2008 · 湖南 · 文 · 第 19 题 · 解答题

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21解析几何★★★★★
已知椭圆 C:x2a2+y2b2=1C: \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1(a>b>0a > b > 0)的左、右焦点为 F1F_1,F2F_2,离心率为 ee. 直线 l:y=ex+al: y = ex + a 与 xx 轴,yy 轴分别交于点 AA,BB,MM 是直线 ll 与椭圆 CC 的一个公共点,PP 是点 F1F_1 关于直线 ll 的对称点,设 AM→=λAB→\overrightarrow{AM} = \lambda \overrightarrow{AB}.
(1) 证明: λ=1−e2\lambda = 1 - e^{2}; (2) 若 λ=34\lambda = \frac{3}{4},△PF1F2\triangle PF_{1}F_{2} 的周长为 66;写出椭圆 CC 的方程; (3) 确定 λ\lambda 的值,使得 △PF1F2\triangle PF_{1}F_{2} 是等腰三角形.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 记椭圆的焦半距为 cc. 由离心率定义,c=aec=ae,且 b2=a2−c2=a2(1−e2)b^2=a^2-c^2=a^2(1-e^2),0<e<10<e<1. 直线 ll 与坐标轴的交点为 A(−ae,0)A\left(-\frac{a}{e},0\right),B(0,a)B(0,a). 由 AM→=λAB→\overrightarrow{AM}=\lambda\overrightarrow{AB},得
M(a(λ−1)e,aλ)M\left(\frac{a(\lambda-1)}{e},a\lambda\right)
将点 MM 代入椭圆方程,得
(λ−1)2e2+λ21−e2=1\frac{(\lambda-1)^2}{e^2}+\frac{\lambda^2}{1-e^2}=1
两边乘以 e2(1−e2)e^2(1-e^2),整理得
(1−e2)(λ−1)2+e2λ2=e2(1−e2)(1-e^2)(\lambda-1)^2+e^2\lambda^2=e^2(1-e^2)
即
(λ−(1−e2))2=0\left(\lambda-(1-e^2)\right)^2=0
所以
λ=1−e2\lambda=1-e^2
\item 当 λ=34\lambda=\frac34 时,e2=14e^2=\frac14,由 e>0e>0 得 e=12e=\frac12. 又 F1(−ae,0)F_1(-ae,0),F2(ae,0)F_2(ae,0) 且直线 ll 的方程为 ex−y+a=0ex-y+a=0. 记
δ=e(−ae)−0+a1+e2=a(1−e2)1+e2\delta=\frac{e(-ae)-0+a}{1+e^2}=\frac{a(1-e^2)}{1+e^2}
由点关于直线的对称公式,点 F1F_1 的对称点为
P=(−ae−2eδ,2δ)=(−ae(3−e2)1+e2,2a(1−e2)1+e2)P=\left(-ae-2e\delta,2\delta\right) =\left(-\frac{ae(3-e^2)}{1+e^2},\frac{2a(1-e^2)}{1+e^2}\right)
因此
PF1=2dist⁡(F1,l)=2a(1−e2)1+e2PF_1=2\operatorname{dist}(F_1,l)=\frac{2a(1-e^2)}{\sqrt{1+e^2}}
PF2=2a1+e24e2+(1−e2)2=2aPF_2=\frac{2a}{1+e^2}\sqrt{4e^2+(1-e^2)^2}=2a,F1F2=2aeF_1F_2=2ae. 三角形 PF1F2PF_1F_2 的周长为
2a(1−e21+e2+1+e)2a\left(\frac{1-e^2}{\sqrt{1+e^2}}+1+e\right)
代入 e=12e=\frac12 和周长为 66,得
3a5+2a+a=6\frac{3a}{\sqrt5}+2a+a=6
所以
a=255+1=5−52a=\frac{2\sqrt5}{\sqrt5+1}=\frac{5-\sqrt5}{2}
又 a2=5(3−5)2a^2=\frac{5(3-\sqrt5)}{2},b2=a2(1−e2)=15(3−5)8b^2=a^2(1-e^2)=\frac{15(3-\sqrt5)}{8}. 故椭圆 CC 的方程为
x25(3−5)2+y215(3−5)8=1\frac{x^2}{\frac{5(3-\sqrt5)}{2}}+\frac{y^2}{\frac{15(3-\sqrt5)}{8}}=1
\item 因为 0<e<10<e<1,所以 PF1<PF2PF_1<PF_2,且 PF2=2a>2ae=F1F2PF_2=2a>2ae=F_1F_2. 因而等腰三角形只能满足 PF1=F1F2PF_1=F_1F_2,即
1−e21+e2=e\frac{1-e^2}{\sqrt{1+e^2}}=e
两边均为正,平方得
(1−e2)2=e2(1+e2)(1-e^2)^2=e^2(1+e^2)
即 1−3e2=01-3e^2=0. 由 e>0e>0,得 e=33e=\frac{\sqrt3}{3},所以
λ=1−e2=23\lambda=1-e^2=\frac23
\end{enumerate} \end{solution}

2005 · 湖南 · 文 · 第 21 题 · 解答题

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