过直线 $l:5x-7y-70=0$ 上的点 $P$ 作椭圆 $\dfrac{x^2}{25}+\dfrac{y^2}{9}=1$ 的切线 $PM,PN$,切点分别为 $M,N$,连接 $MN$.
【难度】
【出处】
2008年全国高中数学联赛湖南省预赛
【标注】
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当点 $P$ 在直线 $l$ 上运动时,证明:直线 $MN$ 恒过定点 $Q$;标注答案略解析设 $P(x_0,y_0),M(x_1,y_1),N(x_2,y_2)$,则椭圆过点 $M,N$ 的切线方程分别为$$\dfrac{x_1x}{25}+\dfrac{y_1y}{9}=1 , \dfrac{x_2x}{25}+\dfrac{y_2y}{9}=1,$$因为两切线都过点 $P$,则有$$\dfrac{x_1x_0}{25}+\dfrac{y_1y_0}{9}=1 , \dfrac{x_2x_0}{25}+\dfrac{y_2y_0}{9}=1,$$这表明 $M,N$ 均在直线$$\dfrac{x_0x}{25}+\dfrac{y_0y}{9}=1\qquad\cdots\cdots\text{ ① }$$上,由两点决定一条直线知,式 $\text{ ① }$ 就是直线 $MN$ 的方程,其中 $(x_0,y_0)$ 满足直线 $l$ 的方程.
当点 $P$ 在直线 $l$ 上运动时,可理解为 $x_0$ 取遍一切实数,相应的 $y_0$ 为$$y_0=\dfrac57x_0-10,$$代入 $\text{ ① }$ 式消去 $y_0$,得$$\dfrac{x_0}{25}x+\dfrac{5x_0-70}{63}-1=0\qquad\cdots\cdots\text{ ② }$$$\text{ ② }$ 式对一切 $x_0\in\mathbb R$ 恒成立,变形可得$$x_0\left(\dfrac{x}{25}+\dfrac{5y}{63}\right)-\left(\dfrac{10y}{9}+1\right)=0,$$对一切 $x_0\in\mathbb R$ 恒成立,故有$$\begin{cases}\dfrac{x}{25}+\dfrac{5y}{63}=0,\\ \dfrac{10y}{9}+1=0.\end{cases}$$由此解得直线 $MN$ 恒过定点 $Q\left(\dfrac{25}{14},-\dfrac{9}{10}\right)$. -
当 $MN\parallel l$ 时,证明:定点 $Q$ 平分线段 $MN$.标注答案略解析当 $MN\parallel l$ 时,由 $\text{ ② }$ 式知,$$\dfrac{\frac{x_0}{25}}{5}=\dfrac{\frac{5x_0-70}{63}}{-7}\ne\dfrac{-1}{-70},$$解得 $x_0=\dfrac{4375}{533}$.代入 $\text{ ② }$ 式,得此时 $MN$ 的方程为$$5x-7y-\dfrac{533}{35}=0,\qquad\cdots\cdots\text{ ③ }$$将此方程与椭圆方程联立,消去 $y$ 得$$\dfrac{533}{25}x^2-\dfrac{533}{7}x-\dfrac{128068}{1225}=0,$$由此可得,此时 $MN$ 截椭圆所得弦的中点横坐标恰好为点 $Q\left(\dfrac{25}{14},-\dfrac{9}{10}\right)$ 的横坐标,即$$x=\dfrac{x_1+x_2}{2}=\dfrac{25}{14}.$$代入 $\text{ ③ }$ 式可得弦中点纵坐标恰好为点 $Q\left(\dfrac{25}{14},-\dfrac{9}{10}\right)$ 的纵坐标,即$$y=\dfrac57\cdot\dfrac{25}{14}-\dfrac{533}{7\cdot35}=-\dfrac{9}{10}.$$这就是说,点 $Q\left(\dfrac{25}{14},-\dfrac{9}{10}\right)$ 平分线段 $MN$.
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