已知点 $B(0,1)$,$P,Q$ 为椭圆 $\dfrac{x^{2}}{4}+y^{2}=1$ 上异于点 $B$ 的任意两点,且 $BP\perp BQ$.
【难度】
【出处】
2013年全国高中数学联赛四川省预赛
【标注】
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若点 $B$ 在线段 $PQ$ 上的射影为点 $M$,求点 $M$ 的轨迹方程;标注答案$x^{2}+\left(y-\dfrac{1}{5}\right)^{2}=\left(\dfrac{4}{5}\right)^{2}(y\ne 1)$解析设 $P(x_{1},y_{1})$,$Q(x_{2},y_{2})$,$PQ$ 的方程为 $y=kx+m$,与椭圆方程联立消去 $y$ 得\[(1+4k^{2})x^{2}+8kmx+4m^{2}-4=0,\]所以$$x_{1}+x_{2}=\dfrac{-8km}{4k^{2}+1} , x_{1}x_{2}=\dfrac{4m^{2}-4}{4k^{2}+1}.$$由 $BP\perp BQ$ 得$$\dfrac{y_{1}-1}{x_{1}}\cdot \dfrac{y_{2}-1}{x_{2}}=-1,$$即\[x_{1}x_{2}+y_{1}y_{2}-(y_{1}+y_{2})+1=0,\]从而可得\[\dfrac{(k^{2}+1)(4m^{2}-4)}{4k^{2}+1}+k(m-1)\cdot \dfrac{-8km}{4k^{2}+1}+(m-1)^{2}=0,\]化简得$$5m^{2}-2m-3=0,$$解得 $m=1$(舍去)或 $m=-\dfrac{3}{5}$.
设 $M(x,y)$.
因为 $BM\perp PQ$,所以 $k=-\dfrac{x}{y-1}$,代入 $PQ$ 方程得$$y=-\dfrac{x^{2}}{y-1}-\dfrac{3}{5},$$整理得\[x^{2}+\left(y-\dfrac{1}{5}\right)^{2}=\left(\dfrac{4}{5}\right)^{2}.\]由题意知轨迹不经过点 $B(0,1)$.
因此动点 $M$ 的轨迹方程为:$x^{2}+\left(y-\dfrac{1}{5}\right)^{2}=\left(\dfrac{4}{5}\right)^{2}(y\ne 1)$. -
求线段 $PQ$ 的中垂线 $l$ 在 $x$ 轴上的截距的取值范围.标注答案$\left[-\dfrac{9}{20},\dfrac{9}{20}\right]$解析$PQ$ 的方程为 $y=kx-\dfrac{3}{5}$,所以\[\dfrac{x_{1}+x_{2}}{2}=\dfrac{12k}{5(4k^{2}}, \dfrac{y_{1}+y_{2}}{2}=\dfrac{-3}{5(4k^{2}+1)},\]所以 $PQ$ 中垂线方程为\[y+\dfrac{3}{5(4k^{2}+1)}=-\dfrac{1}{k}\left(x-\dfrac{12k}{5(4k^{2}+1)}\right),\]在 $x$ 轴上的截距为$$b=\dfrac{9k}{5(4k^{2}+1)},$$因此 $-\dfrac{9}{20}\leqslant b\leqslant \dfrac{9}{20}$.
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