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已知点 P 是椭圆 x24+y23=1 上异于左右顶点的一点, 设 ∠PF1F2=α, ∠PF2F1=β, ∠F2PF1=γ, 求 cos⁡α+cos⁡β+cos⁡γ 的取值范围.

解法 1: 走边

容易得到 F1F2=2, F1P+F2P=4. 不妨设 F1P=2+t, F2P=2−t, t∈[0,1). 则根据余弦定理cos⁡α+cos⁡β+cos⁡γ=4+(2+t)2−(2−t)22⋅2(2+t)+4+(2−t)2−(2+t)22⋅2(2−t)+(2+t)2+(2−t)2−42(2+t)(2−t)=3−64−t2∈(1,32].

解法 2: 走角

熟知椭圆中的结论 e=sin⁡γsin⁡α+sin⁡β=12. 因此 2sin⁡γ=2sin⁡α+β2cos⁡α−β2. 也即 2sin⁡α+β2cos⁡α+β2=sin⁡α+β2cos⁡α−β2, 从而 cos⁡α−β2=2cos⁡α+β2.
首先确认一下 γ 的范围, 它在 P 在上顶点时达到最大, 为 π3, 因此 0<γ<π3. 因此 cos⁡α+cos⁡β+cos⁡γ=2cos⁡α+β2cos⁡α−β2+cos⁡γ=4cos2⁡α+β2+cos⁡γ=4sin2⁡γ2+cos⁡γ=1+2sin2⁡γ2∈(1,32].