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已知双曲线 C:x2a2−y2b2=1 (a>0,b>0) 的焦点到其渐近线的距离为 2, 点 (2,2) 在 C 上.

  1. 求 C 的方程;
  2. 点 A,B 分别在 C 的两条渐近线上运动, 且 |AB|=22, 线段 AB 的中点为 M.
    1. 设 E(0,3), F(0,−3), 求 |ME|⋅|MF| 的最大值;
    2. 设 P(−t,0), Q(t,0) (t>1), 点 M 不在 x 轴上, 若 ∠MQP=2∠MPQ, 求 |MP||MQ| 的取值范围.
解

  1. 由题意 b=2, 2a2−2b2=1, 所以 C:x2−y22=1.
  2. 不妨设 A(x1,2x1), B(x2,−2x2), 则 M(x1+x22,2(x1−x2)2). 这样 |AB|=(x1−x2)2+2(x1+x2)2=8xM2+2yM2=22, 从而 xM2+yM24=1.
    1. 根据上面的结果, M 的轨迹是以 E,F 为焦点, 4 为长轴长的椭圆, 所以 |ME|+|MF|=4, 所以 |ME|⋅|MF|≤(|ME|+|MF|)24=4.
    2. 记 kMP=k1, kMQ=k2. 联立 lMP:y=k1(x+t) 与 lMQ:y=k2(x−t), 解得 M(t(k1+k2)k2−k1,2tk1k2k2−k1). 把它代入椭圆轨迹方程: t2(k1+k2)2(k2−k1)2+t2k12k22(k2−k1)2=1⇒1t2=k12k22+(k1+k2)2(k2−k1)2<1. 整理得 (k1k2)2+4k1k2<0, 也即 (*)−4<k1k2<0. 另一方面记 ∠MPQ=θ, ∠MQP=2θ. 则 k1=tan⁡θ, k2=−tan⁡2θ, 所以 k2=−2k11−k12, 代入 (*) 得 −4<2k12k12−1<0⇒0<k12<23, 所以 cos2⁡θ=1tan2⁡θ+1∈(35,1). 而在 ΔMPQ 中 θ+2θ<π, 所以 cos⁡θ>0, cos⁡θ∈(155,1).
      最后利用正弦定理 MPMQ=sin⁡2θsin⁡θ=2cos⁡θ∈(2155,2).
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