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椭圆的光学性质是: 从椭圆的一个焦点发出的光线, 经过椭圆反射后, 反射光线过椭圆的另一个焦点. 已知椭圆 E:x2a2+y2b2=1 (a>b>0) 的左顶点为 A(2,0), 点 P1E 上, 且在 x 轴的上方. 从 E 的左焦点 F1(1,0) 发出的光线 F1P1, 经过 E 反射后, 交 E 于点 Q1. 按照如下方式依次构造点 PnQn (n=2,3,): 光线 PnQn 经过 E 反射后, 交 E 于点 Pn+1; 光线 Pn+1Qn 经过 E 反射后, 交 E 于点 Qn+1.

  1. E 的方程;
  2. 设直线 APn 的斜率为 kn, 求证: 数列 {kn} 是等比数列, 并求出其公比;
  3. 求证: 直线 P1Q2 恒过定点, 并求出该定点的坐标.
解答

  1. E:x24+y23=1.
  2. 证明915题 中我们介绍了椭圆的参数弦方程: 设椭圆上的点 A(acos2α,bsin2α), B(acos2β,bsin2β), 则 lAB:(1tanαtanβ)xa+(tanα+tanβ)yb=1+tanαtanβ, 它的横截距是 x=a(1+tanαtanβ)1tanαtanβ. 所以在本题中, 设 Pn(2cos2αn,3sin2αn), Qn(2cos2βn,3sin2βn). PnQn 经过右焦点 F2(1,0), QnPn+1 经过左焦点 F1(1,0). 所以 1=2(1+tanαntanβn)1tanαntanβn,1=2(1+tanαn+1tanβn)1tanαn+1tanβn. 前者得到 tanαntanβn=13, 后者得到 tanαn+1tanβn=3. 所以 tanαn+1=9tanαn.
    kn=yPnxPn+2=3sin2αn2cos2αn+2=23sinαncosαn4cos2αn=32tanαn, 所以 kn+1kn=tanαn+1tanαn=9. (注意题目没有说 k10, 但这种情况 {kn} 是零值数列没有讨论的意义) 所以 {kn}9 为公比的等比数列.
  3. 证明 再次利用 2, P1Q2 的横截距是 x=2(1+tanα1tanβ2)1tanα1tanβ2=2(1+19tanα2tanβ2)119tanα2tanβ2=2(1+19(13))119(13)=137, 所以 P1Q2 恒过 (137,0).
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