(本小题满分 13 分) 已知椭圆 E x ^ 2 a ^…——2016 高考数学第 20 题答案解析

2016_省自主命题(四川)

2016 Sichuan Question 20 Free-response Differentiating
2016_省自主命题(四川)

20、(本小题满分 13 分)

已知椭圆 $E \colon \ \frac { x ^ { 2 } } { a ^ { 2 } } + \frac { y ^ { 2 } } { b ^ { 2 } } = 1 ( a > b > 0 )$ 的一个焦点与短轴的两个端点是正三角形的三个顶点,点 $P ( \sqrt { 3 } , \frac { 1 } { 2 } )$ 在椭圆 E 上.

(Ⅰ)求椭圆E的方程;

(Ⅱ)设不过原点 O且斜率为 $\boldsymbol { \jmath } _ { \overline { { 2 } } } ^ { 1 } |$ 的直线l与椭圆E交于不同的两点 A,B,线段AB的中点为M,直线 OM与椭圆E交于C,D,证明: $\left| M A \right| \cdot \left| M B \right| = \left| M C \right| \cdot \left| M D \right|$

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(1) ${ \frac { x ^ { 2 } } { 4 } } + y ^ { 2 } = 1$; (2) 证明详见解析

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(Ⅰ)设椭圆焦点为 $F(c,0)$,其中 $c^2=a^2-b^2$,短轴两端点为 $B_1(0,b)$,$B_2(0,-b)$。

三点 $F,B_1,B_2$ 构成正三角形,所以
\[ |FB_1|=|B_1B_2|. \]
又
\[ |FB_1|=\sqrt{c^2+b^2}=a,\qquad |B_1B_2|=2b, \]
因此
\[ a=2b,\qquad a^2=4b^2. \]
椭圆方程可写为
\[ \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1. \]
点 $P\left(\sqrt3,\frac12\right)$ 在椭圆上,代入得
\[ \frac{3}{4b^2}+\frac{1}{4b^2}=1, \]
即
\[ \frac1{b^2}=1, \]
所以
\[ b^2=1,\qquad a^2=4. \]
故椭圆方程为
\[ \frac{x^2}{4}+y^2=1. \]

(Ⅱ)直线 $l$ 的斜率为 $\frac12$,且不过原点,设其方程为
\[ y=\frac12 x+m\qquad (m\ne0). \]
与椭圆
\[ \frac{x^2}{4}+y^2=1 \]
联立,代入得
\[ \frac{x^2}{4}+\left(\frac12 x+m\right)^2=1, \]
整理为
\[ x^2+2mx+2m^2-2=0. \]
设 $A(x_1,y_1)$,$B(x_2,y_2)$,则 $x_1,x_2$ 是该方程的两个根。因为 $A,B$ 不同,所以
\[ \Delta=4(2-m^2)>0, \]
从而
\[ m^2<2. \]
由根与系数关系得
\[ x_1+x_2=-2m,\qquad x_1x_2=2m^2-2. \]

线段 $AB$ 的中点 $M$ 的横坐标为
\[ x_M=\frac{x_1+x_2}{2}=-m. \]
又
\[ y_M=\frac{y_1+y_2}{2} =\frac12\cdot\frac{x_1+x_2}{2}+m =\frac m2, \]
所以
\[ M\left(-m,\frac m2\right). \]
由于 $m\ne0$,直线 $OM$ 的斜率为
\[ \frac{\frac m2}{-m}=-\frac12, \]
故 $OM$ 的方程为
\[ y=-\frac12 x. \]
将其与椭圆联立:
\[ \frac{x^2}{4}+\frac{x^2}{4}=1, \]
得
\[ x^2=2, \]
所以两个交点可取为
\[ C\left(-\sqrt2,\frac{\sqrt2}{2}\right),\qquad D\left(\sqrt2,-\frac{\sqrt2}{2}\right). \]

点 $M,C,D$ 都在直线 $y=-\frac12 x$ 上。该直线上两点若横坐标差为 $d$,则距离为
\[ \sqrt{1+\left(\frac12\right)^2}\,|d|=\frac{\sqrt5}{2}|d|. \]
因此
\[ |MC|\cdot|MD| =\left(\frac{\sqrt5}{2}\right)^2 \left|(-\sqrt2)-(-m)\right| \left|\sqrt2-(-m)\right|. \]
即
\[ |MC|\cdot|MD| =\frac54|m-\sqrt2||m+\sqrt2|. \]
由 $m^2<2$ 知 $|m|<\sqrt2$,所以
\[ |MC|\cdot|MD| =\frac54(2-m^2). \]

另一方面,$M$ 是 $AB$ 的中点,因此
\[ |MA|=|MB|=\frac12|AB|, \]
从而
\[ |MA|\cdot|MB|=\frac14|AB|^2. \]
又因为直线 $l$ 的斜率为 $\frac12$,
\[ |AB|^2=(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2 =\left(1+\frac14\right)(x_1-x_2)^2 =\frac54(x_1-x_2)^2. \]
所以
\[ |MA|\cdot|MB| =\frac{5}{16}\left[(x_1+x_2)^2-4x_1x_2\right]. \]
代入
\[ x_1+x_2=-2m,\qquad x_1x_2=2m^2-2, \]
得
\[ |MA|\cdot|MB| =\frac{5}{16}\left[4m^2-4(2m^2-2)\right] =\frac54(2-m^2). \]
于是
\[ |MA|\cdot|MB|=|MC|\cdot|MD|. \]
结论得证。

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