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 $ M $,其坐标为 $ \left(x,y\right) $,
    当 $ x\neq \pm a $ 时,由条件可得\[ \begin{split}k_{MA_1}\cdot k_{MA_2}&={\dfrac{y}{x+a}}\cdot {\dfrac{y}{x-a}}\\&={\dfrac{y^2}{x^2-a^2}}=m ,\end{split}\]即\[ mx^2-y^2=ma^2\left(x\neq \pm a\right) ,\]又 $ A_1\left(-a,0\right) $,$ A_2\left(a,0\right) $ 的坐标满足\[ mx^2-y^2=ma^2 ,\]故依题意,曲线 $ C $ 的方程为\[ mx^2-y^2=ma^2 .\]当 $ m<-1 $ 时,曲线 $ C $ 的方程为 $ {\dfrac{x^2}{a^2}}+{\dfrac{y^2}{-ma^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}{-ma^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}{ma^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_1NF_2 $ 的面积 $ S=|m|a^2 $?若存在,求 $ \tan \angle F_1NF_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\neq 0\right) $ 使得 $ S=|m|a^2 $ 的充要条件是\[\begin{split} \begin{cases}x^2_0+y^2_0=a^2,y_0≠0, &\quad \cdots \cdots ① \\
    {\dfrac{1}{2}}·2a{\sqrt{1+m}}|y_0|=|m|a^2. &\quad \cdots \cdots ② \end{cases} \end{split}\]由 $ ① $ 得 $ 0<|y_0|\leqslant a $,由 $ ② $ 得 $ |y_0|={\dfrac{|m|a}{{\sqrt{1+m}}}} $.
    当 $ 0<{\dfrac{|m|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=|m|a^2 $;
    当 $ {\dfrac{|m|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 $ {\overrightarrow {NF_1}}=\left(-a{\sqrt{1+m}}-x_0,-y_0\right) $,$ {\overrightarrow {NF_2}}=\left(a{\sqrt{1+m}}-x_0,-y_0\right) $,
    可得\[ {\overrightarrow {NF_1}}\cdot {\overrightarrow {NF_2}}=x^2_0-\left(1+m\right)a^2+y^2_0=-ma^2 .\]令 $ \left|{\overrightarrow {NF_1}} \right|=r_1 $,$ \left|{\overrightarrow {NF_2}} \right|=r_2 $,$ \angle F_1NF_2=\theta $,
    则由 $ {\overrightarrow {NF_1}}\cdot {\overrightarrow {NF_2}}=r_1r_2\cos \theta =-ma^2 $,可得 $ r_1r_2=-{\dfrac{ma^2}{\cos \theta }} $,
    从而\[ S={\dfrac{1}{2}}r_1r_2\sin \theta =-{\dfrac{ma^2\sin \theta }{2\cos \theta }}=-{\dfrac{1}{2}}ma^2\tan \theta ,\]于是由 $ S=|m|a^2 $,可得\[ -{\dfrac{1}{2}}ma^2\tan \theta =|m|a^2 ,\]即\[ \tan \theta =-{\dfrac{2|m|}{m}} .\]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=|m|a^2 $,且 $ \tan \angle F_1NF_2=2 $;
    当 $ m\in \left(0,{\dfrac{1+{\sqrt{5}}}{2}} \right]$ 时,在 $ C_1 $ 上存在点 $ N $,使得 $ S=|m|a^2 $,且 $ \tan \angle F_1NF_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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