焦点角平分线所成椭圆动弦的定点
椭圆
的上顶点为 ,右焦点为 。设 为椭圆上的两个点,满足 平分 。求证:直线 过定点,并求出该定点的坐标。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
这里的焦点径向表示只是把点写成 后解二次方程,无需极坐标先修知识。正交旋转不改变角度、距离和共线关系;含参直线的公共点可通过令各参数系数同时为零寻找。
想法从哪来:角平分条件发生在焦点,因此从焦点发出的方向比中心坐标更自然。先在一条焦点射线上设未知距离,将其代入椭圆,求出距离关于射线方向的表达式。焦点在椭圆内部,各方向恰有一个正交点,因而这一表示不会遗漏射线。 再把坐标轴旋到角平分线方向,两条射线的单位向量就有相同的轴向分量和互为相反的横向分量。将两个焦半径分别代入,尝试直接写同时经过两点的线性方程,避免先算斜率而漏掉竖直弦。方程按共同方向分量分组后,定点应让常数项与所有参数项同时消失;最后换回原坐标,并检查两点不同的条件。
以焦点 为极点描述椭圆,射线上交点的焦半径只取决于射线方向。 关于 对称,故在以 为一条坐标轴的正交坐标系中,两条射线可写成 对称的方向向量;代入焦半径后,连接两点的直线方程会显出共同点。
椭圆的半长轴为 ,半短轴为 ,故
先求以 为起点、方向角为 的射线与椭圆的交点。设交点到 的距离为 ,则交点坐标为
代入椭圆方程,得到
取正根可得
取以 为原点的正交单位向量
其中 指向 。因 平分 ,存在实数 ,使 的单位方向向量分别为
其中
由 (1) 以及两方向向量的横坐标分别为 、,相应焦半径为
用 表示以 为原点、以 为基底的坐标。 则
直接代入可知, 都满足直线方程
因此 (2) 就是直线 的方程。点
对任意 都满足 (2),所以它是所求定点。换回原直角坐标,该点为
故直线 恒过定点
式 (1) 的分母始终为正,因为 。 在 (2) 中代入 时,左边为 ;代入 时同样成立。 例如取两条对称射线分别沿负 轴与正 轴,所得两交点的连线也确实经过 。
焦点处角平分线给出的核心信息是两条焦半径方向关于固定轴对称。 先写出椭圆相对于焦点的径向方程,再旋转坐标表示这对方向,通常能把动弦方程整理成 “动参数乘一个线性式”的形式,定点由各参数项同时消失确定。
以焦点为原点写出射线交点距离,再把两射线关于FA的对称条件参数化,消去两交点的径长后识别弦方程的公共点。
已记下,谢谢!