已知椭圆
经过点 。能否在椭圆 上找到两点 ,满足: 的三边所在直线的斜率成等差数列,且边 与边 所在直线均与圆
相切?如果存在,求出相应的 的值;如果不存在,说明理由。
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。
点到直线距离公式把同切一圆转成等距;非负函数 |s|/√(1+s²)随|s|严格增。三个实数可重排成等差当且仅当某一个等于另两个的平均。
想法从哪来:先代已知点确定椭圆,免得后面带多余参数。两条切线都从A出发,而圆心与A的连线水平,点到直线距离公式因此只依赖斜率的绝对值;两条不同切线必斜率相反。这样找E、F的自由度只剩一个斜率参数。每条线与椭圆已有交点A,利用已知根求第二交点,再把正负参数配对,第三边的斜率会固定下来。三数成等差并不说明哪一个在中间,须依次指定三个候选中项,不能默认第三边是平均数。最后回查切线未恰好变成椭圆在A的切线,三角形才真正非退化。
先用点 确定椭圆参数。两条过 的直线到定圆圆心距离相等,迫使其斜率互为相反数;再求这两条直线与椭圆的第二交点,第三边斜率会化为常数。
把 代入椭圆方程,得
所以 。
设直线 的斜率分别为 。两直线都经过 ,而圆心为 ,圆心到斜率为 的直线
的距离为
两直线与同一圆相切,故 。因 ,两直线不重合,因此 且 。
斜率为 的直线与椭圆
除 外的另一个交点记为 。直接代入并利用一个根为 ,可得
把 换成 得 ,于是
因此三边所在直线的斜率为 。
三个数能够排列成等差数列,当且仅当其中一个是另两个的平均数。因 与 的平均数为 ,只能有
故 。此时三个斜率可排成
确为等差数列。相应圆半径等于圆心到任一切线的距离,所以
故所求点 存在。
不等于椭圆在 点的切线斜率 ,所以各直线确有不同于 的第二交点;所得半径为正,两条直线到圆心距离均为 。
“两条过同一点的直线同切一圆”可先转成点到直线距离相等;再用韦达定理处理椭圆的第二交点,往往能避免繁重坐标消元。
先需由同圆相切且圆心水平偏移推出两条边斜率相反,再证明第三边斜率固定为1/2,并穷尽哪个斜率作为等差中项,多个几何与代数判断依次衔接。
已记下,谢谢!