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已知椭圆 C:x2a2+y2b2=1 (a>b>0)的左、右焦点分别为 F1,F2, |F1F2|=2, 点 M 在椭圆 C 上, 且 ΔMF1F2 的面积的最大值为 3.

  1. 求椭圆 C 的方程;
  2. 设 G 为 ΔMF1F2 的重心, I 为 ΔMF1F2 的内心, I,G 两点不重合.
    1. 证明: GI//F1F2;
    2. 点 P,Q 在椭圆 C 上, 且 PG→=GQ→, 求 ΔIPQ 的面积的取值范围.
解

  1. 解 由题意 2c=2, 12(2c)b=3, 所以 C:x24+y23=1.
    1. 证明 不妨设 xM,yM≥0. 一方面根据重心坐标公式 yG=yF1+yF2+yM3=yM3, 另一方面根据面积关系 SΔMF1F2=12yI(2a+2c)=12(2c)yM⇒yI=yM3, 所以 yG=yI, 所以 GI//F1F2.
    2. 解 首先确定一下 xI. 在 ΔMF1F2 中 MF1−MF2=(xI−xF1)−(xF2−xI). 利用焦半径公式 2exM=2xI⇒xI=12xM. 所以 GI=xM6.
      再来求 |yP−yQ|. 设 M(2cos⁡θ,3sin⁡θ), P(2cos⁡α,3sin⁡α), Q(2cos⁡β,3sin⁡β), 则由 PG→=GQ→: {xP+xQ=2xG,yP+yQ=2yG⇒{cos⁡α+cos⁡β=23cos⁡θ,sin⁡α+sin⁡β=23sin⁡θ⇒{cos⁡α+β2cos⁡α−β2=13cos⁡θ,sin⁡α+β2cos⁡α−β2=13sin⁡θ, 于是两边平方得 cos2⁡α−β2=19,sin2⁡α−β2=89. 于是 |yP−yQ|=3|sin⁡α−sin⁡β|=23|cos⁡α+β2sin⁡α−β2|=23|cos⁡θ3cos⁡α−β2⋅89|=463|cos⁡θ|=263xM. 这样 SΔIPQ=12|IG|⋅|yP−yQ|=618xM2∈(0,269). (注意 I,G 不重合, 所以要去掉左端点; 三角形默认不考虑退化三角形, 所以去掉右端点)

2.2 的另解

将整个图形进行仿射变换((x,y)↦(x,23y)=(x′,y′) ), 则 OG′=23, 从而 P′Q′=222−OG′2=823, 于是 |yP−yQ|=32|yP′−yQ′|<32P′Q′=463, 而 GI=xM6<13, 于是 SΔIPQ=12|GI|⋅|yP−yQ|<269. 显然 xM→0 时 SΔIPQ→0, 所以 SΔIPQ∈(0,269).