在平面直角坐标系 $xOy$ 中,$F_1,F_2$ 分别是椭圆 $\dfrac{x^2}{2}+y^2=1$ 的左右焦点.设不经过焦点 $F_1$ 的直线 $l$ 与椭圆交于两个不同的点 $A,B$,焦点 $F_2$ 到直线 $l$ 的距离为 $d$.如果直线 $AF_1,l,BF_1$ 的斜率依次成等差数列,求 $d$ 的取值范围.
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
$(\sqrt3,2)$
【解析】
由条件知,点 $F_1,F_2$ 的坐标分别为 $(-1,0)$ 和 $(1,0)$.设直线 $l$ 方程为 $y=kx+m$,点 $A(x_1,y_1),B(x_2,y_2)$,则联立直线与椭圆,消去 $y$ 得$$(2k^2+1)x^2+4kmx+(2m^2-2)=0\qquad\cdots\cdots\text{ ① }$$由于点 $A,B$ 不重合,且直线 $l$ 的斜率存在,故 $x_1,x_2$ 是方程 $\text{ ① }$ 的两个不同实根,因此有 $\text{ ① }$ 的判别式$$\Delta=(4km)^2-4(2k^2+1)(2m^2-2)=8(2k^2+1-m^2)>0,$$即$$2k^2+1>m^2\qquad\cdots\cdots\text{ ② }$$由直线 $AF_1,l,BF_1$ 的斜率 $\dfrac{y_1}{x_1+1},k,\dfrac{y_2}{x_2+1}$ 依次成等差数列,知$$\dfrac{y_1}{x_1+1}+\dfrac{y_2}{x_2+1}=2k,$$结合点在直线上,得$$(kx_1+m)(x_2+1)+(kx_2+m)(x_1+1)=2k(x_1+1)(x_2+1),$$化简并整理得$$(m-k)(x_1+x_2+2)=0.$$假设 $m=k$,则直线 $l$ 的方程为 $y=kx+k$,即 $l$ 经过点 $F_1(-1,0)$,不符合条件.
因此必有 $x_1+x_2+2=0$,故由方程 $\text{ ① }$ 及韦达定理知,$$\dfrac{4km}{2k^2+1}-(x_1+x_2)=2,$$代入并整理得$$m=k+\dfrac{1}{2k}\qquad\cdots\cdots\text{ ③ }$$由 $\text{ ②③ }$ 知,$$2k^2+1>m^2=\left(k+\dfrac{1}{2k}\right)^2,$$化简得 $k^2>\dfrac{1}{4k^2}$,这等价于$$|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}.$$反之,当 $m,k$ 满足 $\text{ ③ }$ 及 $|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}$ 时,$l$ 必不经过点 $F_1$,而此时 $m,k$ 满足 $\text{ ② }$,故 $l$ 与椭圆有两个不同的交点 $A,B$,同时也保证了 $AF_1,BF_1$ 的斜率存在.
而点 $F_2(1,0)$ 到直线 $l$ 的距离为$$d=\dfrac{|k+m|}{\sqrt{1+k^2}}=\dfrac{1}{\sqrt{\frac{1}{k^2}+1}}\cdot\left(2+\dfrac{1}{2k^2}\right).$$注意到 $|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}$,令 $t=\sqrt{\dfrac{1}{k^2}+1}$,则 $t\in\left(1,\sqrt3\right)$,上式可改写为$$d=\dfrac1t\left(\dfrac{t^2}{2}+\dfrac32\right)=\dfrac12\cdot\left(t+\dfrac3t\right)\qquad\cdots\cdots\text{ ④ }$$考虑到函数 $f(t)=\dfrac12\cdot\left(t+\dfrac3t\right)$ 在 $\left[1,\sqrt3\right]$ 上单调递减,故由 $\text{ ④ }$ 得,$f\left(\sqrt3\right)<d<f(1)$,即 $d\in\left(\sqrt3,2\right)$.
因此必有 $x_1+x_2+2=0$,故由方程 $\text{ ① }$ 及韦达定理知,$$\dfrac{4km}{2k^2+1}-(x_1+x_2)=2,$$代入并整理得$$m=k+\dfrac{1}{2k}\qquad\cdots\cdots\text{ ③ }$$由 $\text{ ②③ }$ 知,$$2k^2+1>m^2=\left(k+\dfrac{1}{2k}\right)^2,$$化简得 $k^2>\dfrac{1}{4k^2}$,这等价于$$|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}.$$反之,当 $m,k$ 满足 $\text{ ③ }$ 及 $|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}$ 时,$l$ 必不经过点 $F_1$,而此时 $m,k$ 满足 $\text{ ② }$,故 $l$ 与椭圆有两个不同的交点 $A,B$,同时也保证了 $AF_1,BF_1$ 的斜率存在.
而点 $F_2(1,0)$ 到直线 $l$ 的距离为$$d=\dfrac{|k+m|}{\sqrt{1+k^2}}=\dfrac{1}{\sqrt{\frac{1}{k^2}+1}}\cdot\left(2+\dfrac{1}{2k^2}\right).$$注意到 $|k|>\dfrac{\sqrt2}{2}$,令 $t=\sqrt{\dfrac{1}{k^2}+1}$,则 $t\in\left(1,\sqrt3\right)$,上式可改写为$$d=\dfrac1t\left(\dfrac{t^2}{2}+\dfrac32\right)=\dfrac12\cdot\left(t+\dfrac3t\right)\qquad\cdots\cdots\text{ ④ }$$考虑到函数 $f(t)=\dfrac12\cdot\left(t+\dfrac3t\right)$ 在 $\left[1,\sqrt3\right]$ 上单调递减,故由 $\text{ ④ }$ 得,$f\left(\sqrt3\right)<d<f(1)$,即 $d\in\left(\sqrt3,2\right)$.
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