已知 $A,B$ 是椭圆 $C:\dfrac{x^2}{25}+\dfrac{y^2}9=1$ 的左、右顶点,直线 $l$ 交椭圆 $C$ 于 $M,N$ 两点,记 $AM$ 的斜率为 $k_1$,$BN$ 的斜率为 $k_2
$,且 $k_1:k_2=1:9$.
【难度】
【出处】
2016年全国高中数学联赛河南省预赛
【标注】
  1. 求证:直线 $l$ 过定点;
    标注
    答案
    解析
    引入伸缩变换 $T:(x,y)\to\left(x, \dfrac 5 3y\right)$,则椭圆 $C:\dfrac{x^2}{25}+\dfrac{y^2}9=1$ 在变换 $T$ 下的像为圆:$\dfrac{x^2}{25}+\dfrac{y^2}{25}=1$,即 $x^2+y^2=25$,因为 $k_1:k_2=1:9$,所以 $\dfrac{k_{A'M'}}{k_{B'N'}}=\dfrac{\dfrac 5 3k_1}{\dfrac 5 3k_2}=\dfrac 1 9$,设 $M'N'$ 交 $x$ 轴于 $G'$,因此\[\begin{split}\dfrac 1 9=\dfrac{k_{A'M'}}{k_{B'N'}}&=\dfrac{\tan \angle M'A'B'}{\tan \angle N'B'A'}=
    \dfrac{\left|M'B'\right|}{\left|M'A'\right|}\times \dfrac{\left|N'B'\right|}{\left|N'A'\right|}\\&=\dfrac{\left|M'B'\right|}{\left|N'A'\right|}\times \dfrac{\left|N'B'\right|}{\left|M'A'\right|}\\&=\dfrac{\left|B'G'\right|}{\left|G'N'\right|}\times \dfrac{\left|G'N'\right|}{\left|A'G'\right|}\\&=\dfrac{\left|B'G'\right|}{\left|A'G'\right|},\end{split}\]所以点 $G'$ 的坐标为 $(4,0)$,所以直线 $l$ 过定点 $G(4,0)$.
  2. 记 $\triangle AMN$ 的面积为 $S_1,\triangle BMN$ 的面积为 $S_2$,求 $S_1-S_2$ 的最大值.
    标注
    答案
    $15$
    解析
    不妨设 $F'(-4,0)$,则\[\begin{split}S_1-S_2&=\dfrac 3 5 S_{\triangle A'M'N'} -\dfrac 3 5 S_{\triangle B'M'N'}\\&=\dfrac 3 5\left(S_{\triangle A'M'N'}-S_{\triangle B'M'N'}\right)\\&=\dfrac 3 5 S_{\triangle F'M'N'}\\&=\dfrac 6 5 S_{\triangle O'M'N'}\\&=\dfrac 6 5 \times \dfrac 1 2|O'M'|\cdot|O'N'|\cdot \sin \angle M'O'N'\\&\leqslant \dfrac 6 5\times \dfrac 1 2 \times 5 \times 5\times \sin 90^\circ\\&=15,\end{split}\]当且仅当 $O'M' \perp O'N'$ 时等号成立.
    所以 $S_1-S_2$ 的最大值为 $15$.
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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