过椭圆 $\dfrac {x^2}{3}+\dfrac {y^2}{2}=1$ 的右焦点 $F$ 作两条垂直的弦 $AB$,$CD$.设 $AB$,$CD$ 的中点分别为 $M$,$N$.
【难度】
【出处】
2014年全国高中数学联赛四川省预赛
【标注】
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求证:直线 $MN$ 必过定点,并求出这个定点;标注答案直线 $MN$ 必过定点 $E\left(\dfrac 35,0\right)$解析由题意知,$F(1,0)$.
情形一 当弦 $AB$,$CD$ 的斜率均存在时,设 $AB$ 的斜率为 $k$,则 $CD$ 的斜率为 $-\dfrac 1k$.
设 $AB: y=k(x-1)$,代入椭圆方程 $\dfrac {x^2}{3}+\dfrac {y^2}{2}=1$,得$$(3k^2+2)x^2-6k^2x+(3k^2-6)=0,$$所以$$x_M=\dfrac {x_A+x_B}{2}=\dfrac {3k^2}{3k^2+2}, y_M=k(x_M-1)=\dfrac {-2k}{3k^2+2}.$$故点 $M\left(\dfrac {3k^2}{3k^2+2},\dfrac {-2k}{3k^2+2}\right)$.
因为 $CD \perp AB$,所以将点 $M$ 的坐标中的 $k$ 换为 $-\dfrac 1k$,即得点 $N\left(\dfrac {3 }{2k^2+3},\dfrac {2k}{2k^2+3}\right)$.
(i)当 $k \neq \pm 1$ 时,$$k_{MN}=\dfrac {-5k}{3k^2-3},$$此时直线 $MN$ 的方程为$$y-\dfrac {2k}{2k^2+3}=\dfrac {-5k}{3k^2-3}\left(x-\dfrac {3}{2k^2+3}\right),$$则直线 $MN$ 过定点 $\left(\dfrac 35,0\right)$.
(ii)当 $k=\pm 1$ 时,易得直线 $MN$ 的方程为 $x=\dfrac 35$,也过点 $\left(\dfrac 35,0\right)$.情形二 当弦 $AB$ 或 $CD$ 的斜率不存在时,易知直线 $MN$ 为 $x$ 轴,也过点 $\left(\dfrac 35,0\right)$.
综上可知,直线 $MN$ 必过定点 $E\left(\dfrac 35,0\right)$. -
若弦 $AB$,$CD$ 的斜率均存在,求 $\triangle FMN$ 的面积的最大值.标注答案$\dfrac {4}{25}$解析由 $(1)$ 知\[\begin{split} S_{\triangle FMN}&=\dfrac 12 \cdot |EF| \cdot |y_M-y_N|\\ &=\dfrac 15 \left|\dfrac {-2k}{3k^2+2}-\dfrac {2k}{2k^2+3}\right|\\&=\dfrac {|2k(k^2+1)|}{(3k^2+2)(2k^2+3)}, \end{split}\]不妨设 $k>0$,则$$S'=\dfrac {(-12k^4+2k^2-12)(k^2-1)}{(3k^2+2)^2(2k^2+3)^2}.$$由 $S'=0$ 知 $k=1$.
又 $k \in (0,1)$ 时,$S'>0$;$k \in (1,+\infty)$ 时,$S'<0$;
故当 $k=1$ 时,$S$ 有最大值为 $\dfrac {4}{25}$.
因此,$\triangle FMN$ 的面积的最大值是 $\dfrac {4}{25}$.
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