已知
A,
B 分别为曲线
C:a2x2+y2=1(
y⩾0,
a>0)与
x 轴的左,右两个交点,直线
l 过点
B,且与
x 轴垂直,
S 为
l 上异于点
B 的一点,连结
AS 交曲线
C 于点
T.
(1) 若曲线
C 为半圆,点
T 为圆弧
AB 的三等分点,试求出点
S 的坐标;
(2) 如图,点
M 是以
SB 为直径的圆与线段
TB 的交点. 试问:是否存在
a,使得
O,
M,
S 三点共线?若存在,求出
a 的值,若不存在,请说明理由.
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 当
C为半圆时
a=1,故
A=(−1,0),
B=(1,0).圆弧
AB的两个三等分点为
T1(21,23)和
T2(−21,23).
直线
AT1的斜率为
33,代入
x=1得
y=323;直线
AT2的斜率为
3,代入
x=1得
y=23.因此
S=(1,323)或S=(1,23)
\item 设
S=(a,s).由于第二个交点
T在
y⩾0的上半椭圆上,且
S=B,故取
s>0.令直线
AS上的点为
(x,y)=(−a+2au,su).代入椭圆方程,除去对应于
A的根
u=0,得到
(−1+2u)2+s2u2=1,
⟹,
u=4+s24,
所以
T=(a(−1+4+s28),4+s24s)
圆
SB以
SB为直径,其方程为
(x−a)2+y2−sy=0.若
O,
M,
S共线,设
M=λS=(λa,λs).由于
M在
TB上而
S不在
TB上,故
λ=1.由
∠SMB=90∘得
(S−M)⋅(B−M)=(1−λ)[a2(1−λ)−λs2]=0
由于
λ=1,所以
a2(1−λ)−λs2=0
从而
λ=a2+s2a2,即
M=(a2+s2a3,a2+s2a2s)
另一方面,由上式中
T的坐标,直线
BT的斜率为
xT−ayT=−as2;而
BM的斜率为
−sa.要使
B,
T,
M共线,必须有
−sa=−as2,所以
a2=2.因为
a>0,得到
a=2.此时
M−B=2(2+s2)4+s2(T−B),
0<2(2+s2)4+s2<1,
故
M确在线段
TB上,所求值存在.
\end{enumerate}
\end{solution}