已知椭圆C:(y^2)/(a^2)+(x^2)/(b^2)=1(a>b>0)的离心率是(sqrt(5))/(3),点A(-2,0)在C上.(1)求C的方程;(2)过点(-2,3)的直线交C于P,Q两点,直线AP,AQ与y轴的交点分别为M,N,证明:线段MN的中点为定点.
(1)求C的方程;
(2)过点(-2,3)的直线交C于P,Q两点,直线AP,AQ与y轴的交点分别为M,N,证明:线段MN的中点为定点.
题目解答
答案
所以e=$\frac{c}{a}$=$\frac{\sqrt{5}}{3}$,①
因为点A(-2,0)在C上,
所以$\frac{(-2)^{2}}{{b}^{2}}$=1,②
又a=$\sqrt{{b}^{2}+{c}^{2}}$,③
联立①②③,解得a=3,b=2,c=$\sqrt{5}$,
所以椭圆方程为$\frac{y^2}{9}+\frac{x^2}{4}=1$;
(2)证明:易知直线PQ的斜率存在,
不妨设直线PQ的方程为y=k(x+2)+3,P(x1,y1),Q(x2,y2),
联立$\left\{\begin{array}{l}{y=k(x+2)+3}\\{\frac{{y}^{2}}{9}+\frac{{x}^{2}}{4}=1}\end{array}\right.$,消去y并整理得(4k2+9)x2+8k(2k+3)x+16(k2+3k)=0,
此时Δ=64k2(2k+3)2-64(4k2+9)(k2+3k)=-1728k>0,
解得k<0,
由韦达定理得$x_1+x_2=-\frac{8k(2k+3)}{4k^2+9}$,$x_1x_2=\frac{16(k^2+3k)}{4k^2+9}$,
因为A(-2,0),
此时直线$AP:y=\frac{y_1}{x_1+2}(x+2)$,
令x=0,
解得$y=\frac{2y_1}{x_1+2}$,
即$M(0,\frac{2y_1}{x_1+2})$,
同理得$N(0,\frac{2y_2}{x_2+2})$,
此时$\frac{\frac{2{y}_{1}}{{x}_{1}+2}+\frac{2{y}_{2}}{{x}_{2}+2}}{2}$=$\frac{[k({x}_{1}+2)+3]}{{x}_{1}+2}+\frac{[k({x}_{2}+2)+3]}{{x}_{2}+2}$
=$\frac{[kx_1+(2k+3)](x_2+2)+[kx_2+(2k+3)](x_1+2)}{(x_1+2)(x_2+2)}$
=$\frac{2kx_1x_2+(4k+3)(x_1+x_2)+4(2k+3)}{x_1x_2+2(x_1+x_2)+4}$
=$\frac{\frac{32k({k}^{2}+3k)}{4{k}^{2}+9}-\frac{8k(4k+3)(2k+3)}{4{k}^{2}+9}+4(2k+3)}{\frac{16({k}^{2}+3k)}{4{k}^{2}+9}-\frac{16k(2k+3)}{4{k}^{2}+9}+4}$=3,
故线段MN的中点为定点,定点为(0,3).
解析
考查要点:本题主要考查椭圆的标准方程、离心率的计算,以及直线与椭圆的位置关系、定点问题的证明方法。
解题思路:
- 第一问:利用椭圆离心率公式和已知点坐标,联立方程求解$a$和$b$的值,确定椭圆方程。
- 第二问:通过设直线方程与椭圆联立,利用韦达定理表示交点坐标关系,求出直线AP、AQ与y轴的交点M、N,最后通过代数运算证明MN的中点坐标为定值。
破题关键:
- 第一问的关键是离心率公式和点坐标代入椭圆方程,直接解出$a$和$b$。
- 第二问需设直线方程,通过联立椭圆方程得到根与系数关系,构造M、N的坐标表达式,最终化简中点坐标表达式,发现其与参数无关。
第(1)题
-
离心率与椭圆方程关系
由离心率$e = \frac{c}{a} = \frac{\sqrt{5}}{3}$,得$c = \frac{\sqrt{5}}{3}a$,且$c^2 = a^2 - b^2$。 -
代入点A坐标求$b$
点$A(-2, 0)$在椭圆上,代入方程得$\frac{(-2)^2}{b^2} + \frac{0^2}{a^2} = 1$,解得$b^2 = 4$,即$b = 2$。 -
联立方程求$a$
由$c^2 = a^2 - b^2$,代入$c = \frac{\sqrt{5}}{3}a$得:
$\left(\frac{\sqrt{5}}{3}a\right)^2 = a^2 - 4 \implies \frac{5}{9}a^2 = a^2 - 4 \implies a^2 = 9 \implies a = 3.$ -
椭圆方程
综上,椭圆方程为$\frac{y^2}{9} + \frac{x^2}{4} = 1$。
第(2)题
-
设直线方程
过点$(-2, 3)$的直线方程设为$y = k(x + 2) + 3$,与椭圆联立:
$\frac{[k(x + 2) + 3]^2}{9} + \frac{x^2}{4} = 1.$ -
联立化简
展开整理得:
$(4k^2 + 9)x^2 + 8k(2k + 3)x + 16(k^2 + 3k) = 0.$ -
韦达定理
设根为$x_1, x_2$,则:
$x_1 + x_2 = -\frac{8k(2k + 3)}{4k^2 + 9}, \quad x_1x_2 = \frac{16(k^2 + 3k)}{4k^2 + 9}.$ -
求M、N坐标
- 直线AP的方程为$y = \frac{y_1}{x_1 + 2}(x + 2)$,令$x = 0$得$M(0, \frac{2y_1}{x_1 + 2})$。
- 同理,$N(0, \frac{2y_2}{x_2 + 2})$。
-
中点坐标化简
中点纵坐标为:
$\frac{\frac{2y_1}{x_1 + 2} + \frac{2y_2}{x_2 + 2}}{2} = \frac{[k(x_1 + 2) + 3](x_2 + 2) + [k(x_2 + 2) + 3](x_1 + 2)}{(x_1 + 2)(x_2 + 2)}.$
代入$y_1 = k(x_1 + 2) + 3$,展开后分子分母分别代入韦达定理的结果,最终化简得$3$,故中点为$(0, 3)$。