平面内与两定点 ${A_1}\left( { - a,0} \right) , {A_2}\left( {a,0} \right) \left(a > 0 \right) $ 连线的斜率之积等于非零常数 $m$ 的点的轨迹,加上 ${A_1},{A_2}$ 两点所成的曲线 $C$ 可以是圆、椭圆或双曲线.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求曲线 $C$ 的方程,并讨论 $C$ 的形状与 $m$ 值的关系;
    标注
    答案
    解析
    设动点为 $M$,其坐标为 $\left( {x,y} \right)$,
    当 $x \ne \pm a$ 时,由条件可得\[\begin{split}{k_{M{A_1}}} \cdot {k_{M{A_2}}} & = \dfrac{y}{x - a} \cdot \dfrac{y}{x + a} \\& = \dfrac{y^2}{{{x^2} - {a^2}}} \\& = m,\end{split}\]即\[m{x^2} - {y^2} = m{a^2}\left( {x = \pm a} \right),\]又 ${A_1}\left( { - a,0} \right) , {A_2}\left( {a,0} \right)$ 的坐标满足\[m{x^2} - {y^2} = m{a^2}.\]故依题意,曲线 $C$ 的方程为\[m{x^2} - {y^2} = m{a^2}.\]当 $m < - 1$ 时,曲线 $C$ 的方程为\[\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{{ - m{a^2}}} = 1 ,\]$C$ 是焦点在 $y$ 轴上的椭圆;
    当 $m = - 1$ 时,曲线 $C$ 的方程为\[{x^2} + {y^2} = {a^2},\]$C$ 是圆心在原点的圆;
    当 $ - 1 < m < 0$ 时,曲线 $C$ 的方程为\[\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{{ - m{a^2}}} = 1,\]$C$ 是焦点在 $x$ 轴上的椭圆;
    当 $m > 0$ 时,曲线 $C$ 的方程为\[\dfrac{x^2}{a^2} - \dfrac{y^2}{{m{a^2}}} = 1,\]$C$ 是焦点在 $x$ 轴上的双曲线.
  2. 当 $m = - 1$ 时,对应的曲线为 ${C_1}$;对给定的 $m \in \left( { - 1,0} \right) \cup \left( {0, + \infty } \right)$,对应的曲线为 ${C_2}$,设 ${F_1},{F_2}$ 是 ${C_2}$ 的两个焦点.试问:在 ${C_1}$ 上,是否存在点 $N$,使得 $\triangle {F_1}N{F_2}$ 的面积 $S = \left| m \right|{a^2}$.若存在,求 $\tan\angle {F_1}N{F_2}$ 的值;若不存在,请说明理由.
    标注
    答案
    解析
    由(1)知,当 $m = - 1$ 时,${C_1}$ 的方程为\[{x^2} + {y^2} = {a^2};\]当 $m \in \left( { - 1,0} \right) \cup \left( {0, + \infty } \right)$ 时,${C_2}$ 的两个焦点分别为\[{F_1}\left( { - a\sqrt {1 + m} ,0} \right),{F_2}\left( {a\sqrt {1 + m} ,0} \right).\]对于给定的 $m \in \left( { - 1,0} \right) \cup \left( {0, + \infty } \right)$,${C_1}$ 上存在点 $N\left( {{x_0},{y_0}} \right)$ $\left( {{y_0} \ne 0} \right)$ 使得 $S = \left| m \right|{a^2}$ 的充要条件是\[\begin{cases}x_0^2 + y_0^2 = a^2,{y_0} \ne 0,\quad\cdots\cdots ① \\
    \dfrac{1}{2} \cdot 2a\sqrt {1 + m} \left| {y_0} \right| = \left| m \right|{a^2}.\quad\cdots\cdots ② \\
    \end{cases}\]由 ① 得\[0 < \left| {y_0} \right| \leqslant a,\]由 ② 得\[\left| {y_0} \right| = \dfrac{\left| m \right|a}{{\sqrt {1 + m} }}.\]当 $0 < \dfrac{\left| m \right| + a}{{\sqrt {1 + m} }} \leqslant a$,即\[\dfrac{1 - \sqrt 5 }{2} \leqslant m < 0 或 0 < m \leqslant \dfrac{1 + \sqrt 5 }{2}\]时,存在点 $N$,使 $S = \left| m \right|{a^2}$;
    当 $\dfrac{\left| m \right|a}{{\sqrt {1 + m} }} > a$,即\[ - 1 < m<\dfrac{1 - \sqrt 5 }{2} 或 m > \dfrac{1 + \sqrt 5 }{2}\]时,不存在满足条件的点 $N$.
    当 $m \in \left[ {\dfrac{1 - \sqrt 5 }{2},0} \right) \cup \left( {0,\dfrac{1 + \sqrt 5 }{2}} \right)$ 时,由\[\begin{split}{\overrightarrow {NF} _1} & = \left( { - a\sqrt {1 + m} - {x_0}, - {y_0}} \right) , \\ \overrightarrow {N{F_2}} & = \left( {a\sqrt {1 + m} - {x_0}, - {y_0}} \right),\end{split}\]可得\[\begin{split}\overrightarrow {N{F_1}} \cdot \overrightarrow {N{F_2}} & = x_0^2 - \left( {1 + m} \right){a^2} + y_0^2= - m{a^2}.\end{split}\]令 $\left| {\overrightarrow {N{F_1}} } \right| = {r_1}$,$\left| {\overrightarrow {N{F_2}} } \right| = {r_2}$,$\angle {F_1}N{F_2} = \theta $,则由\[\overrightarrow {N{F_1}} \cdot \overrightarrow {N{F_2}} = {r_1}{r_2}\cos \theta =- m{a^2},\]可得\[{r_1}{r_2} = -\dfrac{{m{a^2}}}{\cos \theta },\]从而\[\begin{split}S & = \dfrac{1}{2}{r_1}{r_2}\sin \theta \\& = -\dfrac{{m{a^2}\sin \theta }}{2\cos \theta } \\& = - \dfrac{1}{2}m{a^2}\tan \theta ,\end{split}\]于是由 $S = \left| m \right| {a^2}$.可得\[ - \dfrac{1}{2}m{a^2}\tan \theta = \left| m \right|{a^2},\]即\[\tan \theta = - \dfrac{2\left| m \right|}{m}.\]综上可得:
    当 $m \in \left[ {\dfrac{1 - \sqrt 5 }{2},0} \right)$ 时,在 ${C_1}$ 上,存在点 $N$,使得 $S = \left| m \right|{a^2}$,且\[\tan \angle{F_1}N{F_2} = 2;\]当 $m \in \left( {0,\dfrac{1 + \sqrt 5 }{2}} \right]$ 时,${C_1}$ 上,存在点 $N$,使得 $S = \left| m \right|{a^2}$,且\[\tan\angle{F_1}N{F_2} = - 2;\]当 $m \in \left( { - 1,\dfrac{1 - \sqrt 5 }{2}} \right) \cup \left( {\dfrac{1 + \sqrt 5 }{2}, + \infty } \right)$ 时,在 ${C_1}$ 上不存在满足条件的点 $N$.
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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