已知椭圆 $E:\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$($a>b>0$)的一个焦点与短轴的两个端点是正三角形的三个顶点,点 $P\left(\sqrt 3,\dfrac 12\right)$ 在椭圆 $E$ 上.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求椭圆 $E$ 的方程;
    标注
    答案
    椭圆 $E$ 的方程为 $\dfrac{x^2}4+y^2=1$.
    解析
    本小题考查椭圆的基本量与方程.根据题意,有 $a=2b$,结合点 $P\left(\sqrt 3,\dfrac 12\right)$ 在椭圆 $E$ 上,可得椭圆 $E$ 的方程为 $\dfrac{x^2}4+y^2=1$.
  2. 设不过原点 $O$ 且斜率为 $\dfrac 12$ 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:$|MA|\cdot |MB|=|MC|\cdot |MD|$.
    标注
    答案
    解析
    本小题是圆幂定理在仿射变换下的结果,因此可以考虑用仿射变换解决,同时利用参数方程计算也不难.需要注意的是这里出现了弦中点的问题,因此可以利用椭圆的“垂径定理”(参考《高考数学压轴题的分析与解》破解压轴题的有效10招中的第7招“有心二次曲线的「垂径定理」”).设 $A\left(x_1,y_1\right)$,$B\left(x_2,y_2\right)$,将两个点满足的椭圆方程相减整理可得(即椭圆的“垂径定理”)直线 $OM$ 和直线 $AB$ 的斜率之积为 $-\dfrac 14$,从而直线 $CD$ 的斜率为 $-\dfrac 12$.
    仿射变换解法:
    注意到结论的形式类似于圆幂定理,因此考虑用仿射变换.作仿射变换 $x'=x$,$y'=2y$,则椭圆 $E$ 变为圆 $E':x'^2+y'^2=4$.设 $A,B,C,D$ 变化后的对应点分别是 $A',B',C',D'$,如图. 根据仿射变换前后弦长的对应关系,我们有\[\dfrac{|M'A'|}{|MA|}=\dfrac{|M'B'|}{|MB|}=\dfrac{\sqrt{1+4\cdot\left(\dfrac 12\right)^2}}{\sqrt{1+\left(\dfrac 12\right)^2}},\]而\[\dfrac{|M'C'|}{|MC|}=\dfrac{|M'D'|}{|MD|}=\dfrac{\sqrt{1+4\cdot\left(-\dfrac 12\right)^2}}{\sqrt{1+\left(-\dfrac 12\right)^2}},\]于是可得\[\dfrac{|M'A'|}{|MA|}=\dfrac{|M'B'|}{|MB|}=\dfrac{|M'C'|}{|MC|}=\dfrac{|M'D'|}{|MD|},\]根据圆幂定理,有\[|M'A'|\cdot |M'B'|=|M'C'|\cdot |M'D'|,\]由此即得原命题成立.
    参数方程解法:
    由 $CD:y=-\dfrac 12x$,于是可设 $M\left(-2m,m\right)$,进而分别以 $\left(2,1\right)$ 和 $\left(2,-1\right)$ 为直线 $AB$ 和 $CD$ 的方向向量,可设\[AB:\begin{cases}x=-2m+2t,\\ y=m+t,\end{cases} 且 CD:\begin{cases} x=-2m+2t,\\ y=m-t.\end{cases} \]设点 $A,B$ 对应的参数分别为 $t_1,t_2$,点 $C,D$ 对应的参数分别为 $t_3,t_4$,分别将直线 $AB,CD$ 的方程与椭圆方程联立,可得 $t_1,t_2$ 是方程\[2t^2+2m^2-1=0\]的两根,而 $t_3,t_4$ 是方程\[2t^2-4mt+2m^2-1=0\]的两根.因此\[|MA|\cdot |MB|-|MC|\cdot |MD|= \sqrt{2^2+1}\cdot |t_1|\cdot \sqrt{2^2+1}\cdot |t_2|-\sqrt{2^2+\left(-1\right)^2}\cdot |t_3|\cdot \sqrt{2^2+\left(-1\right)^2}\cdot |t_4|=0,\]因此原命题得证.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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