已知椭圆 x^ 2 a^ 2 + y^ 2 b^ 2 =1…——2015 高考数学第 18 题答案解析

2015_天津卷 (2015·理)

2015 ?? 第 18 题 解答题 区分题
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19.已知椭圆 $\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1(a>b>0)$ 的左焦点为 $F(-c, 0)$ ,离心率为 $\frac{\sqrt{3}}{3}$ ,点 $M$ 在椭圆上且位于第一象限,直线 $F M$ 被圆 $x^{2}+y^{2}=\frac{b^{2}}{4}$ 截得的线段的长为 $c,|F M|=\frac{4 \sqrt{3}}{3}$ .
(I)求直线 $F M$ 的斜率;
(II)求椭圆的方程;
(III)设动点 $P$ 在椭圆上,若直线 FP 的斜率大于 $\sqrt{2}$ ,求直线 $O P$( $O$ 为原点)的斜率的取值范围。

参考答案(1) 当 $x \in\left(-\frac{3}{2},-1\right)$ 时,有 $y=t(x+1)<0$ , 因此 $m>0$ ,于是 $m=\sqrt{\frac{2}{x^{2}}-\frac{2}{3}}$ ,得 $m \in\left(\frac{\sqrt{2}}{3}, \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ .; (2) 当 $x \in(-1,0)$ 时,有 $y=t(x+1)>0$ , 因此 $m<0$ ,于是 $m=-\sqrt{\frac{2}{x^{2}}-\frac{2}{3}}$ ,得 $m \in\left(-\infty,-\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ . 综上,直线 $O P$ 的斜率的取值范围是 $\left(-\infty,-\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right) \cup\left(\frac{\sqrt{2}}{3}, \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ .

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【解答】
答案:
(I)$\frac{\sqrt{3}}{3}$ ;
(II)$\frac{x^{2}}{3}+\frac{y^{2}}{2}=1$ ;
(III)$\left(-\infty,-\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right) \cup\left(\frac{\sqrt{2}}{3}, \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$

解析过程:
( I )解:由已知有 $\frac{c^{2}}{a^{2}}=\frac{1}{3}$ ,又由 $a^{2}=b^{2}+c^{2}$ ,可得 $a^{2}=3 c^{2}, b^{2}=2 c^{2}$ .
设直线 $F M$ 的斜率为 $k(k \succ 0)$ ,则直线 $F M$ 的方程为 $y=k(x+c)$ .
由已知,有 $\left(\frac{k c}{\sqrt{k^{2}+1}}\right)^{2}+\left(\frac{c}{2}\right)^{2}=\left(\frac{b}{2}\right)^{2}$ ,解得 $k=\frac{\sqrt{3}}{3}$ .
(II)解:由(I)得椭圆方程为 $\frac{x^{2}}{3 c^{2}}+\frac{y^{2}}{2 c^{2}}=1$ ,

直线 $F M$ 的方程为 $y=\frac{\sqrt{3}}{3}(x+c)$ ,

两个方程联立,消去 y ,整理得 $3 x^{2}+2 c x-5 c^{2}=0$ ,

解得 $x=-\frac{5}{3} c$ ,或 $x=c$ .

因为点 M 在第一象限,可得 M 的坐标为 $\left(c, \frac{2 \sqrt{3}}{3} c\right)$ .有 $|F M|=\sqrt{(c+c)^{2}+\left(\frac{2 \sqrt{3}}{3} c-0\right)^{2}}=\frac{4 \sqrt{3}}{3}$ ,

解得 $c=1$ ,所以椭圆的方程为 $\frac{x^{2}}{3}+\frac{y^{2}}{2}=1$ .
(III)解:设点 P 的坐标为 $(x, y)$ ,直线 FP 的斜率为 $t$ ,

得 $t=\frac{y}{x+1}$ ,即 $y=t(x+1)(x \neq-1)$ ,
与椭圆方程联立 $\left\{\begin{array}{l}y=t(x+1), \\ \frac{x^{2}}{3}+\frac{y^{2}}{2}=1,\end{array}\right.$ 消去 $y$,

整理得 $2 x^{2}+3 t^{2}(x+1)^{2}=6$ .

又由已知,得 $t=\sqrt{\frac{6-2 x^{2}}{3(x+1)^{2}}}>\sqrt{2}$ ,
解得 $-\frac{3}{2}设直线 $O P$ 的斜率为 $m$ ,得 $m=\frac{y}{x}$ ,即 $y=m x(x \neq 0)$ ,
与椭圆方程联立,整理可得 $m^{2}=\frac{2}{x^{2}}-\frac{2}{3}$ .
①当 $x \in\left(-\frac{3}{2},-1\right)$ 时,有 $y=t(x+1)<0$ ,

因此 $m>0$ ,于是 $m=\sqrt{\frac{2}{x^{2}}-\frac{2}{3}}$ ,得 $m \in\left(\frac{\sqrt{2}}{3}, \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ .
②当 $x \in(-1,0)$ 时,有 $y=t(x+1)>0$ ,

因此 $m<0$ ,于是 $m=-\sqrt{\frac{2}{x^{2}}-\frac{2}{3}}$ ,得 $m \in\left(-\infty,-\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ .

综上,直线 $O P$ 的斜率的取值范围是 $\left(-\infty,-\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right) \cup\left(\frac{\sqrt{2}}{3}, \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right)$ .

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