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解析几何 - Eufisky - The lost book

来自西哥的一道解几题

设椭圆方程为x225+y216=1F1,F2分别是左右焦点,设椭圆上的动直线A,B过左焦点F1.
 
(1)求ABF2内心的轨迹;
 
(2)当ABF2内切圆面积最大时,求直线AB的方程.
(1)根据题意有F1(3,0),F2(3,0),不妨设A(x1,y1),B(x2,y2),且
{x1=5cosαy1=4sinα{x2=5cosβy2=4sinβ
A,B,F1三点共线可知
4sinβ4sinα5cosβ5cosα=4sinβ5cosβ+33(sinβsinα)=5sin(αβ).
5cosαβ2=3cosα+β2tanα2tanβ2=4.
由椭圆第二定义可知
|AF2|=53cosα|BF2|=53cosβ|AB|=|AF1|+|AF1|=3(cosβ+cosα)+10.
 
ABF2内心为(x,y),则
{x=|BF2|x1+|AF2|x2+3|AB|20y=|BF2|y1+|AF2|y220
化简整理得
{x=34(cosβ+cosα)30cosαcosβ+3020y=5(sinβ+sinα)3sin(α+β)5
注意到
sinβ+sinα=2sinα+β2cosαβ2=65sinα+β2cosα+β2=35sin(α+β)cosβ+cosα=2cosα+β2cosαβ2=65cos2α+β2=35cos(α+β)35cosαcosβ=12cos(α+β)+12cos(αβ)=12cos(α+β)+12(2cos2αβ21)=12cos(α+β)12+925cos2α+β2=12cos(α+β)12+925cos(α+β)+12=1725cos(α+β)825.
故可以再次化简成
{x=5125cos(α+β)+2425y=65sin(α+β)(25x2451)2+2536y2=1(x=2725,y=0).
(2)由题意
S=12×20r=12×|F1F2|×4|sinβsinα|=12×24|sinβsinα|.
r=65|sinβsinα|=2|sin(αβ)|=4|sinαβ2cosαβ2sin2αβ2+cos2αβ2|=4|tanαβ2tan2αβ2+1|.
t=tanαβ2,则|t|=|tanαβ2|=|tanα2tanβ21+tanα2tanβ2|=|tanα2|+4|tanα2|343.由此
r=4|t+1t|=4|t|+1|t|443+34=4825.
当且仅当|tanα2|=|tanβ2|=2时取等成立,这时有
{x1=51tan2α2tan2α2+1=3y1=42tanα2tan2α2+1=165,{x2=3y2=165{x1=51tan2α2tan2α2+1=3y1=42tanα2tan2α2+1=165,{x2=3y2=165
此时直线AB的方程为x=3.
 
另附西哥的解答:
解:引理:设ΔABC的三边为a,b,c,且顶点A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3), 内心坐标I(x,y),则有{x=ax1+bx2+cx3a+b+cy=ay1+by2+cy3a+b+c
A(x1,y1),B(x2,y2),I(x,y),则AB方程为y=k(x+c)与椭圆联立得(b2+a2k2)x2+2a2ck2x+a2c2k2a2b2=0
  则x1+x2=2a2ck2b2+a2k2,x1x2=a2c2k2a2b2b2+a2k2
所以y1+y2=k(x1+x2+2c)=2b2ckb2+a2k2x1y2+x2y1=2kx1x2+kc(x1+x2)=2a2b2kb2+a2k2
  因为|AF1|=a+ex1,|AF2|=aex1,|BF1|=a+ex2,|BF2|=aex2
所以|AB|=|AF1|+|BF1|=2a+e(x1+x2)
所以x=(aex2)x1+(aex1)x2+[2a+e(x1+x2)]c4a=(a+ec)(x1+x2)2ex1x2+2ac4a=a2+c2a(2a2ck2b2+a2k2)2caa2c2k2a2b2b2+a2k2+2ac4a(b2+a2k2)=4ab2c4ac3k24a(b2+a2k2)=b2cc3k2b2+a2k2
所以k2=b2cb2xa2x+c3
y=(aex2)y1+(aex1)y24a=a(y1+y2)e(x1y2+x2y1)4a=a2b2ckb2+a2k2ca(2a2b2kb2+a2k2)4a=b2ckb2+a2k2
所以
y2=b4c2k2(b2+a2k2)2=b2c2b2cb2xa2x+c3(b2+a2b2cb2xa2x+c3)2=b6c2(cx)a2x+c3[(a2x+c3)b2+a2(b2cb2x)a2x+c3]2=b6c2(cx)a2x+c3[b2c(a2+c2)a2x+c3]2=b2(cx)(a2x+c3)(a2+c2)2
所以
(a2+c2)2y2=(b2cb2x)(a2x+c3)=b2(cb2x+c4a2x)
a2b2x2+(a2+c2)2y2cb4xb2c4=0
此问题中,令a=5,b=4,则内心I的轨迹方程为100x2+289y2192x=324
(2)设直线AB方程为x=ky3与椭圆联立得(16k2+25)y296ky256=0
所以y1+y2=96k16k2+25,y1y2=25616k2+25
所以SΔABC=12|F1F2||y1y2|=3(y1+y2)24y1y2=3962k2(16k2+25)2+4×16k2+25SΔABC=960k2+1(16k2+25)2
k2+1=t1,则有k2+1(16k2+25)2=t(16t+9)2=t256t2+288t+81=1256t+81t+2881625=1252
SΔABC38.4当且仅当k=0时取等.故此时AB方程为x=3.

解析几何竞赛题

第四届全国大学生数学竞赛决赛(数学组)解析几何试题

A为正整数,直线L与双曲线x2y2=2(x>0)所围成的面积为A,证明:

(1)上述L被双曲线x2y2=2(x>0)所截线段的中点的轨迹为双曲线;

(2)L总是(1)中轨迹曲线的切线.

证明. (1)不妨设直线L的方程为x=my+l(m2<1),直线L与双曲线x2y2=2(x>0)的交点P,Q分别为(x1,y1),(x2,y2)(其中y1<y2),

联立方程,有{x=my+lx2y2=2(m21)y2+2mly+l22=0.

由韦达定理,我们有:y1+y2=2ml1m2,y1y2=l22m21,y2y1=(y2+y1)24y2y1=22m2+l221m2.

由题意得:

A=y2y1(my+ly2+2)dy=[my22+ly(yy2+22+ln(y+y2+2))]y2y1=m2(y22y21)+l(y2y1)(y2y22+22y1y21+22)lny2+y22+2y1+y21+2=m2(y22y21)+l(y2y1)(x2y22x1y12)lnx2+y2x1+y1=m2(y22y21)+l(y2y1)[m2(y22y21)+l2(y2y1)]lnx1x2y1y2+x1y2x2y12=l2(y2y1)ln(m21)y1y2+ml(y1+y2)+l(y2y1)+l22
ln(m21)y1y2+ml(y1+y2)+l(y2y1)+l22=lnl22+2m2l21m2+2l2m2+l221m2+l22=ln(l21+m2l21m2+l2m2+l221m2)=ln(m2+l211m2+l2m2+l221m2).
故我们有
A=l2m2+l221m2lnm2+l21+l2m2+l221m2.
P,Q中点为M(x,y),则有
{x=x1+x22=y1+y22m+l=l1m2y=y1+y22=ml1m2{m=yxl=x2y2x.
由此得
A=(x2y2)(x2y22)ln[(x2y2)+(x2y2)(x2y22)1].
t=(x2y2)(x2y22),
则有
A=tln(t+t2+1).
f(t)=tln(t+t2+1),注意到f(x)=11t2+1>0,其值域显然为(0,+),故方程(1)的解唯一,记作t0.因此我们有(x2y2)(x2y22)=t0x2y2=1+1+t20.

x2y2=C(C>2).为双曲线轨迹.

(2)再之,由2x2yy=0y=xy=1m=kL及直线L经过点M可知,直线L总为M的轨迹曲线的切线.