来自西哥的一道解几题
设椭圆方程为x225+y216=1,F1,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及{x2=5cosβy2=4sinβ
由A,B,F1三点共线可知
4sinβ−4sinα5cosβ−5cosα=4sinβ5cosβ+3⇔3(sinβ−sinα)=5sin(α−β).
即
5cosα−β2=−3cosα+β2⇔tanα2tanβ2=−4.
由椭圆第二定义可知
|AF2|=5−3cosα|BF2|=5−3cosβ|AB|=|AF1|+|AF1|=3(cosβ+cosα)+10.
记△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+β2cosα−β2=−65sinα+β2cosα+β2=−35sin(α+β)cosβ+cosα=2cosα+β2cosα−β2=−65cos2α+β2=−35cos(α+β)−35cosαcosβ=12cos(α+β)+12cos(α−β)=12cos(α+β)+12(2cos2α−β2−1)=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)⇒(25x−2451)2+2536y2=1(x=2725,y=0).
(2)由题意
S=12×20r=12×|F1F2|×4|sinβ−sinα|=12×24|sinβ−sinα|.
⇒r=65|sinβ−sinα|=2|sin(α−β)|=4|sinα−β2cosα−β2sin2α−β2+cos2α−β2|=4|tanα−β2tan2α−β2+1|.
令t=tanα−β2,则|t|=|tanα−β2|=|tanα2−tanβ21+tanα2tanβ2|=|tanα2|+4|tanα2|3≥43.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=51−tan2α2tan2α2+1=−3y1=42tanα2tan2α2+1=165,{x2=−3y2=−165或{x1=51−tan2α2tan2α2+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
设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+a2c2k2−a2b2=0
则x1+x2=−2a2ck2b2+a2k2,x1x2=a2c2k2−a2b2b2+a2k2
所以y1+y2=k(x1+x2+2c)=2b2ckb2+a2k2x1y2+x2y1=2kx1x2+kc(x1+x2)=−2a2b2kb2+a2k2
因为|AF1|=a+ex1,|AF2|=a−ex1,|BF1|=a+ex2,|BF2|=a−ex2
所以|AB|=|AF1|+|BF1|=2a+e(x1+x2)
所以x=(a−ex2)x1+(a−ex1)x2+[2a+e(x1+x2)]c4a=(a+ec)(x1+x2)−2ex1x2+2ac4a=a2+c2a(−2a2ck2b2+a2k2)−2ca⋅a2c2k2−a2b2b2+a2k2+2ac4a(b2+a2k2)=4ab2c−4ac3k24a(b2+a2k2)=b2c−c3k2b2+a2k2
所以k2=b2c−b2xa2x+c3
y=(a−ex2)y1+(a−ex1)y24a=a(y1+y2)−e(x1y2+x2y1)4a=a⋅2b2ckb2+a2k2−ca(−2a2b2kb2+a2k2)4a=b2ckb2+a2k2
所以
y2=b4c2k2(b2+a2k2)2=b2c2⋅b2c−b2xa2x+c3(b2+a2⋅b2c−b2xa2x+c3)2=b6c2(c−x)a2x+c3[(a2x+c3)b2+a2(b2c−b2x)a2x+c3]2=b6c2(c−x)a2x+c3[b2c(a2+c2)a2x+c3]2=b2(c−x)(a2x+c3)(a2+c2)2
所以
(a2+c2)2y2=(b2c−b2x)(a2x+c3)=b2(cb2x+c4−a2x)
即
a2b2x2+(a2+c2)2y2−cb4x−b2c4=0
此问题中,令a=5,b=4,则内心I的轨迹方程为100x2+289y2−192x=324
(2)设直线AB方程为x=ky−3与椭圆联立得(16k2+25)y2−96ky−256=0
所以y1+y2=96k16k2+25,y1y2=−25616k2+25
所以SΔABC=12|F1F2||y1−y2|=3√(y1+y2)2−4y1y2=3√962k2(16k2+25)2+4×16k2+25SΔABC=960√k2+1(16k2+25)2
令k2+1=t≥1,则有k2+1(16k2+25)2=t(16t+9)2=t256t2+288t+81=1256t+81t+288≤1625=1252
即SΔABC≤38.4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
设A为正整数,直线L与双曲线x2−y2=2(x>0)所围成的面积为A,证明:
(1)上述L被双曲线x2−y2=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x2−y2=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+lx2−y2=2⇒(m2−1)y2+2mly+l2−2=0.
由韦达定理,我们有:y1+y2=2ml1−m2,y1y2=l2−2m2−1,y2−y1=√(y2+y1)2−4y2y1=2√2m2+l2−21−m2.
由题意得:
A=∫y2y1(my+l−√y2+2)dy=[my22+ly−(y√y2+22+ln(y+√y2+2))]y2y1=m2(y22−y21)+l(y2−y1)−(y2√y22+22−y1√y21+22)−lny2+√y22+2y1+√y21+2=m2(y22−y21)+l(y2−y1)−(x2y22−x1y12)−lnx2+y2x1+y1=m2(y22−y21)+l(y2−y1)−[m2(y22−y21)+l2(y2−y1)]−lnx1x2−y1y2+x1y2−x2y12=l2(y2−y1)−ln(m2−1)y1y2+ml(y1+y2)+l(y2−y1)+l22
又
ln(m2−1)y1y2+ml(y1+y2)+l(y2−y1)+l22=lnl2−2+2m2l21−m2+2l√2m2+l2−21−m2+l22=ln(l2−1+m2l21−m2+l√2m2+l2−21−m2)=ln(m2+l2−11−m2+l√2m2+l2−21−m2).
故我们有
A=l√2m2+l2−21−m2−lnm2+l2−1+l√2m2+l2−21−m2.
设P,Q中点为M(x,y),则有
{x=x1+x22=y1+y22m+l=l1−m2y=y1+y22=ml1−m2⇒{m=yxl=x2−y2x.
由此得
A=√(x2−y2)(x2−y2−2)−ln[(x2−y2)+√(x2−y2)(x2−y2−2)−1].
令t=√(x2−y2)(x2−y2−2),
则有
A=t−ln(t+√t2+1).
记f(t)=t−ln(t+√t2+1),注意到f′(x)=1−1√t2+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√(x2−y2)(x2−y2−2)=t0⇒x2−y2=1+√1+t20.
即x2−y2=C(C>2).为双曲线轨迹.
(2)再之,由2x−2yy′=0⇒y′=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.