∫π每天一道数学题
一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴。——《增广贤文》
  1. E:x2a2+y2b2=1(a>b>0)E:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1(a>b>0), e=22e=\frac{\sqrt{2}}{2}, 焦点距离之和为4.

(1) 求 EE 的方程;

(2) OO 为原点, M(x0,y0)(x00)M(x_0,y_0)(x_0\neq0)EE 上, 直线 x0x+2y0y4=0x_0x+2y_0y-4=0y=2y=2 交于 AA, 与 y=2y=-2 交于 BB. 记 S1,S2S_1,S_2 分别为 OAM\triangle OAMOBM\triangle OBM 的面积. 比较 S1S2\dfrac{S_1}{S_2}OAOB\dfrac{|OA|}{|OB|} 的大小.

参考解析

(1) 由题意, 椭圆上任意一点到两焦点的距离之和为 2a=42a=4, 所以 a=2a=2.

离心率 e=ca=22e=\dfrac{c}{a}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}, 解得 c=2c=\sqrt{2}.

b2=a2c2=42=2b^2=a^2-c^2=4-2=2, 得 b=2b=\sqrt{2}.

EE 的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{2}=1.

(2) 易知直线 x0x+2y0y4=0x_0x+2y_0y-4=0 是椭圆 EE 在点 M(x0,y0)M(x_0,y_0) 处的切线方程.

y=2y=2 代入切线方程, 得 x0x+4y04=0x_0x+4y_0-4=0, 解得 xA=44y0x0x_A=\dfrac{4-4y_0}{x_0}, 所以 A(44y0x0,2)A\left(\dfrac{4-4y_0}{x_0},2\right).

y=2y=-2 代入切线方程, 得 x0x4y04=0x_0x-4y_0-4=0, 解得 xB=4+4y0x0x_B=\dfrac{4+4y_0}{x_0}, 所以 B(4+4y0x0,2)B\left(\dfrac{4+4y_0}{x_0},-2\right).

因为 M(x0,y0)M(x_0,y_0) 在椭圆上, 所以 x024+y022=1\dfrac{x_0^2}{4}+\dfrac{y_0^2}{2}=1, 即 x02=42y02x_0^2=4-2y_0^2.

计算 OA|OA|: OA=(44y0x0)2+4=16(1y0)2+4x02x02=1632y0+16y02+168y0242y02=8(2y0)22(2y02)=22y02y02.|OA|=\sqrt{\left(\frac{4-4y_0}{x_0}\right)^2+4}=\sqrt{\frac{16(1-y_0)^2+4x_0^2}{x_0^2}}=\sqrt{\frac{16-32y_0+16y_0^2+16-8y_0^2}{4-2y_0^2}}=\sqrt{\frac{8(2-y_0)^2}{2(2-y_0^2)}}=\frac{2|2-y_0|}{\sqrt{2-y_0^2}}.

计算 OB|OB|: OB=(4+4y0x0)2+4=16(1+y0)2+4x02x02=16+32y0+16y02+168y0242y02=8(2+y0)22(2y02)=22+y02y02.|OB|=\sqrt{\left(\frac{4+4y_0}{x_0}\right)^2+4}=\sqrt{\frac{16(1+y_0)^2+4x_0^2}{x_0^2}}=\sqrt{\frac{16+32y_0+16y_0^2+16-8y_0^2}{4-2y_0^2}}=\sqrt{\frac{8(2+y_0)^2}{2(2-y_0^2)}}=\frac{2|2+y_0|}{\sqrt{2-y_0^2}}.

所以 OAOB=2y02+y0\dfrac{|OA|}{|OB|}=\dfrac{|2-y_0|}{|2+y_0|}.

另一方面, 因为 A,M,BA,M,B 三点共线 (都在切线 x0x+2y0y4=0x_0x+2y_0y-4=0 上), OAM\triangle OAMOBM\triangle OBM 在公共顶点 OO 上的高相等 (均为点 OO 到直线 ABAB 的距离), 所以面积比等于底边比: S1S2=AMBM.\frac{S_1}{S_2}=\frac{|AM|}{|BM|}.

计算 AM|AM|: AM=(x044y0x0)2+(2y0)2=(x024+4y0)2x02+(2y0)2=(2y02+4y0)242y02+(2y0)2|AM|=\sqrt{\left(x_0-\frac{4-4y_0}{x_0}\right)^2+(2-y_0)^2}=\sqrt{\frac{(x_0^2-4+4y_0)^2}{x_0^2}+(2-y_0)^2}=\sqrt{\frac{(-2y_0^2+4y_0)^2}{4-2y_0^2}+(2-y_0)^2} =4y02(2y0)22(2y02)+(2y0)2=2y02y022y02+1=2y02y02+2y022y02=2y02+y022y02.=\sqrt{\frac{4y_0^2(2-y_0)^2}{2(2-y_0^2)}+(2-y_0)^2}=|2-y_0|\sqrt{\frac{2y_0^2}{2-y_0^2}+1}=|2-y_0|\sqrt{\frac{2- y_0^2+2y_0^2}{2-y_0^2}}=|2-y_0|\sqrt{\frac{2+y_0^2}{2-y_0^2}}.

计算 BM|BM|: BM=(x04+4y0x0)2+(y0+2)2=(x0244y0)2x02+(y0+2)2=(2y024y0)242y02+(y0+2)2|BM|=\sqrt{\left(x_0-\frac{4+4y_0}{x_0}\right)^2+(y_0+2)^2}=\sqrt{\frac{(x_0^2-4-4y_0)^2}{x_0^2}+(y_0+2)^2}=\sqrt{\frac{(-2y_0^2-4y_0)^2}{4-2y_0^2}+(y_0+2)^2} =4y02(y0+2)22(2y02)+(y0+2)2=y0+22y022y02+1=y0+22+y022y02.=\sqrt{\frac{4y_0^2(y_0+2)^2}{2(2-y_0^2)}+(y_0+2)^2}=|y_0+2|\sqrt{\frac{2y_0^2}{2-y_0^2}+1}=|y_0+2|\sqrt{\frac{2+y_0^2}{2-y_0^2}}.

所以 S1S2=AMBM=2y02+y0\dfrac{S_1}{S_2}=\dfrac{|AM|}{|BM|}=\dfrac{|2-y_0|}{|2+y_0|}.

综上, S1S2=OAOB\dfrac{S_1}{S_2}=\dfrac{|OA|}{|OB|}, 两者相等.

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