已知椭圆 $C:\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}+\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1\left( a>b>0 \right)$,动点 $P$ 满足 $PA,PB$ 分别与 $C$ 相切,且 $PA\bot PB$,求证 $P$ 点轨迹是以 $O$ 为圆心,半径为 $\sqrt{{{a}^{2}}+{{b}^{2}}}$ 的圆.
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
【解析】
解法 设 $P\left( {{x}_{0}},{{y}_{0}} \right)$,设过 $P$ 的直线为 $y-{{y}_{0}}=k\left( x-{{x}_{0}}\right)$,即 $kx-y+{{y}_{0}}-k{{x}_{0}}=0$
($Ax+By+C=0$ 与 $\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}+\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1$,相切等价条件为 ${{A}^{2}}{{a}^{2}}+{{B}^{2}}{{b}^{2}}={{C}^{2}}$)
其与椭圆 $C$ 相切,即 ${{k}^{2}}{{a}^{2}}+{{b}^{2}}={{\left( {{y}_{0}}-k{{x}_{0}}\right)}^{2}}$,整理可得
$\left( {{a}^{2}}-x_{0}^{2}\right){{k}^{2}}+2{{x}_{0}}{{y}_{0}}k+{{b}^{2}}-y_{0}^{2}=0$,由 ${{k}_{1}}{{k}_{2}}=-1$,可得 $\dfrac{{{b}^{2}}-y_{0}^{2}}{{{a}^{2}}-x_{0}^{2}}=-1$
即 $x_{0}^{2}+y_{0}^{2}={{a}^{2}}+{{b}^{2}}$.
解法如图分别将 ${{F}_{2}}$ 关于 $PA$,$PB$ 做对称点 ${{F}_{2}}^{\prime }$,${{F}_{2}}{{^{\prime }}^{\prime }}$,
由光学性质可得 ${{F}_{1}},A,{{F}_{2}}^{\prime }$ 共线,${{F}_{1}},B,{{F}_{2}}{{^{\prime}}^{\prime }}$ 共线,且 ${{F}_{1}}{{F}_{2}}^{\prime}={{F}_{1}}{{F}_{2}}{{^{\prime }}^{\prime }}=2a$,
又由 $\angle APB=90$ °,根据翻折过程,${{F}_{2}}^{\prime},P,{{F}_{2}}{{^{\prime }}^{\prime }}$ 共线,且 $P{{F}_{2}}=P{{F}_{2}}^{\prime}=P{{F}_{2}}{{^{\prime }}^{\prime }}$,
可得 ${{\left| P{{F}_{1}} \right|}^{2}}+{{\left| P{{F}_{2}}\right|}^{2}}={{\left| P{{F}_{1}} \right|}^{2}}+{{\left| P{{F}_{2}}^{\prime }\right|}^{2}}={{\left| {{F}_{1}}{{F}_{2}}^{\prime } \right|}^{2}}=4{{a}^{2}}$,
(根据△ $ABC$,$BC$ 边上的中线公式 $m_{a}^{2}=\dfrac{2{{b}^{2}}+2{{c}^{2}}-{{a}^{2}}}{4}$),
${{\left| OP\right|}^{2}}=\dfrac{2\left( {{\left| P{{F}_{1}} \right|}^{2}}+{{\left|P{{F}_{2}} \right|}^{2}} \right)-{{\left| {{F}_{1}}{{F}_{2}}\right|}^{2}}}{4}=2{{a}^{2}}-{{c}^{2}}={{a}^{2}}+{{b}^{2}}$.
解法设 $P\left( {{x}_{0}},{{y}_{0}} \right),A\left(a\cos \alpha ,b\sin \alpha \right),B\left( a\cos \beta ,bsin\beta \right)$,
则 $PA:\dfrac{x\cos \alpha }{a}+\dfrac{y\sin \alpha }{b}=1$;$PB:\dfrac{x\cos\beta }{a}+\dfrac{y\sin \beta }{b}=1$
由 $P\in PA,PB$ 及 $PA\bot PB$
则 $\dfrac{{{x}_{0}}\cos \alpha }{a}+\dfrac{{{y}_{0}}\sin\alpha }{b}=1$,$\dfrac{{{x}_{0}}\cos \beta }{a}+\dfrac{{{y}_{0}}\sin \beta}{b}=1$,$\dfrac{\cos \alpha \cos \beta }{{{a}^{2}}}+\dfrac{\sin \alpha \sin\beta }{{{b}^{2}}}=0$
由 ③ 可得 ${{b}^{2}}\sin \alpha \sin \beta +{{a}^{2}}\cos \alpha \cos \beta =0$,
积化和差可得 $\left( {{a}^{2}}-{{b}^{2}} \right)\cos \left( \alpha +\beta \right)=\left( {{a}^{2}}+{{b}^{2}}\right)\cos \left( \alpha -\beta \right)$,
由 ①② 解线性方程组可得
${{x}_{0}}=\dfrac{a\left(\sin \alpha -\sin \beta \right)}{\sin\left( \alpha -\beta \right)}$,${{y}_{0}}=-\dfrac{b\left( \cos \alpha -\cos \beta \right)}{\sin \left( \alpha -\beta \right)}$.
$x_{0}^{2}+y_{0}^{2}={{a}^{2}}+{{b}^{2}}$.
答案 解析 备注
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