1707

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已知椭圆 C:x24+y22=1 的右焦点为 F, 直线 l 交 C 于 A,B 两点, O 为坐标原点, 且 OA⊥OB. 过 O 作 OH⊥AB, 垂足为 H, 求直线 FH 的斜率的取值范围.

解

这是一个经典的结论:

引理

设椭圆 C:x2a2+y2b2=1, A,B,H 如题述, 则 OH=aba2+b2 为定值.

于是 OH=23 为定值, FH 斜率的最值其实就是 FH 与圆 x2+y2=43 相切时取到, 如图, kmax=OH′H′F=232−43=2, 所以 kFH∈[−2,2].
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或者设 H(23cos⁡α,23sin⁡α), 然后 kFH=23sin⁡α23cos⁡α−2≤23sin⁡α2+23sin⁡α−2=2.

经典结论的证明

OA,OB 与坐标轴重合的情况容易验证.

  • 证法一 化齐次联立 设 lAB:αx+βy=1, 与 C 联立得 x2a2+y2b2−(αx+βy)2=0. 令 yx=k, 则 (1b2−β2)k2−2αβk+(1a2−α2)=0. 由 OA⊥OB, 得 −1=k1k2=1a2−α21b2−β2⇒1a2+1b2=α2+β2. 于是用点到直线距离公式可得 OH=1α2+β2=aba2+b2.
  • 证法二 极坐标 设 A(r1cos⁡θ,r1sin⁡θ), B(r2cos⁡(θ+π2),r2sin⁡(θ+π2)), 则 r12cos2⁡θa2+r12sin2⁡θb2=1,r22cos2⁡(θ+π2)a2+r22sin2⁡(θ+π2)b2=1. 从而 1OH2=1r12+1r22=1a2+1b2⇒OH=aba2+b2.
  • 证法三 硬解坐标 设 lOA:y=kx, lOB:y=−1kx. 容易解得 xA2=(1a2+k2b2)−1,xB2=(1a2+1k2b2)−1, 于是 1OH2=1OA2+1OB2=1(1+k2)xA2+1(1+1k2)xB2=1a2+1b2.
  • 证法四 韦达定理 设 lAB:y=kx+m, 联立得 (a2k2+b2)x2+2kma2x+a2(m2−b2)=0. 当 Δ>0, 由韦达定理得 xA+xB=−2kma2a2k2+b2,xAxb=a2(m2−b2)a2k2+b2. 由 OA⊥OB 得0=OA→⋅OB→=(k2+1)xAxB+km(xA+xB)+m2=(a2+b2)m2−a2b2(k2+1)a2k2+b2⇒m2k2+1=a2b2a2+b2, 于是 OH=|m|k2+1=aba2+b2.