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已知椭圆 C:x2a2+y2b2=1(a>b>0) 的左顶点为 A(−2,0), 两个焦点与短轴一个顶点构成等腰直角三角形. 过点 P(1,0) 且与 x 轴不重合的直线 l 与椭圆交于 M,N 不同的两点.

  1. 求椭圆 C 的方程;
  2. 当 AM 与 MN 垂直时, 求 AM 的长;
  3. 过点 P 且平行于 AM 的直线交直线 x=52 于点 Q, 求证: 直线 NQ 恒过定点.
解

  1. 解 是 x24+y22=1.
  2. 解 设 M(x0,y0), 则 AM→⋅PM→=(x0+2,y0)⋅(x0−1,y0)=x02+x0−2+y02=0, 与 x024+y022=1 联立, 解得 x0=0 (舍去 x0=−2), 从而 AM=(x0+2)2+y02=6.
  3. 证明 设 M(x1,y1), N(x2,y2). 因为 l 不与 x 轴重合, 所以可以设 l:x=ty+1. 与 C 联立得 (t2+2)y2+2ty−3=0⇒y1+y2=−2tt2+2,y1y2=−3t2+2. 所以 2ty1y2=3(y1+y2). 而 kAM=y1x1+2, 所以 lPQ:y=y1x1+2(x−1), 与 x=52 联立, 得 Q(52,3y12(x1+2)).
    由于 lNQ:(y2−yQ)x−(x2−xQ)y+yQx2−y2xQ=0, 所以它的横截距为 y2xQ−yQx2y2−yQ=5y2(x1+2)−3y1x22y2(x1+2)−3y1=2ty1y2+15y2−3y12ty1y2+6y2−3y1=18y29y2=2, 说明 NQ 恒过定点 (2,0).
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这是韦达定理的一个很常见的应用. 在证明某个分式为定值、且发现它并不对称时, 常常通过韦达定理得到 y1y2 与 y1+y2 的关系, 然后代换掉 y1y2, 就可以得到定值.

3 的另证

如果我们意识到过的定点就是右顶点 B(2,0), 可以直接证明 N,B,Q 三点共线. 设 kAM=k. 则 lPQ:y=k(x−1), 与 x=52 联立得 Q(52,3k2), 所以 kBQ=3k252−2=3k. 另一方面根据椭圆的第三定义, kAMkMB=−12. 而 kMBkBN 其实也是定值, 我们可以用化齐次联立来证明. 设 l:−(x−2)+βy=1.[1], 然后改写椭圆方程为 (x−2+2)24+y22=1⇒(x−2)24+y22+(x−2)(−(x−2)+βy)=0. 记 k=yx−2, 则上式变为 k22+βk−34=0⇒kMBkBN=−32.
这样 kBN=3k=kBQ, 所以 N,B,Q 共线.


  1. 这个设法是 α(x−2)+βy=1 在恒过 P(1,0), 也即 α=−1 的基础上构造的. 是为了凸显出斜率依赖的 B(2,0). ↩︎