證明橢圓中兩角相等?只需將它和韋達定理結合——思路瞬間清晰

2021-01-09 玉w頭說教育

原題

原題:直角坐標系xoy中,F1,F2分別為橢圓C:x^2/a^2+y^2/b^2=1(a>0,b>0)的左右焦點,點A為橢圓的右頂點,點P為橢圓C上的動點(點P與橢圓C的左右頂點不重合),當△PF1F2為等邊三角形時,S△PF1F2=√3.

⑴求橢圓C的方程;

⑵如圖,M為AP的中點,直線MO交直線x=-4於點D,過點O作OE∥AP交直線x=-4於點E,證明:∠OEF1=∠ODF1.

這道題第一問是比較簡單的,也是解答第二問必備的知識點。

關鍵是第二問該如何解答呢?很多同學可看到這第二問就沒什麼思路,其實第二問只需要將韋達定理結合向量思路是非常清晰的。

第一問的解答

第一問中存在一個知識點:即要想使三角形PF1F2是等邊三角形,則該P點一定在該橢圓與y軸的交點上,上下交點均可。

所以有|F1F2|=|PF2|,在直角三角形POF2中,根據勾股定理|PF2|^2=|PO|^2+|OF2|^2,所以|PF2|^2=b^2+c^2,又因為a^2=b^2+c^2,所以|PF2|=a,又因為|F1F2|=2c,所以a=2c。

將a=2c代入a^2=b^2+c^2中,則有b=√3c。

又因為當△PF1F2為等邊三角形時,S△PF1F2=√3,所以S△PF1F2=1/2·bc=√3,所以bc=2√3。

所以得到c=1,b=√3,a=2。

所以該橢圓的標準方程為x^2/4+y^2/3=1.

第二問的解答

思路:設出直線PA的斜率為k,將直線PA和橢圓聯立得出一個關於k的方程,結合韋達定理得出P、M、E和F坐標——這些坐標都可以用斜率k去表示。

根據各個點的坐標得出向量EO、EF1、DF1、DO的坐標,然後藉助向量的乘法得出直線EO和EF1以及DF1和DO的夾角餘弦值,從而可以比較兩個角的大小關係了。

具體做法:

第一步,求出各點坐標。

因為橢圓方程為x^2/4+y^2/3=1,所以A(2,0),F1(-1,0),F2(1,0)。

設P(x1,y1),則M((x1+2)/2,y1/2),設直線PA的斜率為k,因為點P與橢圓C的左右頂點不重合,所有k斜率存在且不為0。

則直線PA為y=k(x-2),將直線PA與橢圓x^2/4+y^2/3=1聯立得到(4k^2+3)x^2-16k^2x+16k^2-12=0,△>0。

所以有x1+2=16k^2/(4k^2+3),又因為M點在直線PA上,所以M(8k^2/(4k^2+3),-6k^2/(4k^2+3)),所以直線OM的斜率為Kom=-6k^2/(4k^2+3)/8k^2/(4k^2+3)=-3/4k。

所以直線OM表示為y=-3/4k·x,當x=-4時,y=3/k,所以D(-4,3/k)。

因為OE∥AP,所以直線OE的斜率也為k,所以直線OE表示為y=kx,當x=-4時,y=-4k,所以E(-4,-4k)。

第二步,得出相關向量的坐標和乘積。

所以向量EO=(0,0)-(-4,-4k)=(4,4k),向量EF1=(-1,0)-(-4,-4k)=(3,4k);向量DO=(0,0)-(-4,3/k)=(4,-3/k),向量DF1=(-1,0)-(-4,3/k)=(3,-3/k)。

根據兩點間距離公式,則有|EO|·|EF1|=4√(1+k^2)·√(9+16k^2);有|DO|·|DF1|=√(16+9/k^2)·√(9+9/k^2)=3√(1+k^2)(9+16k^2)/√k^4.

根據向量坐標的乘積,則有向量EO·向量EF1=(4,4k)·(3,4k)=12+16k^2;有向量EO·向量EF1=(4,-3/k)·(3,-3/k)=12+9k^2。

根據向量模的乘積公式,則有向量EO·向量EF1=|EO|·|EF1|·cos∠OEF1和向量DO·向量DF1=|DO|·|DF1|·cos∠ODF1.

所以有cos∠OEF1=向量EO·向量EF1/|EO|·|EF1|;cos∠ODF1=向量DO·向量DF1/|DO|·|DF1|。

所以有

cos∠OEF1=向量EO·向量EF1/|EO|·|EF1|=(12+16k^2)/4√(1+k^2)·√(9+16k^2)=(3+4k^2)/√(1+k^2)·√(9+16k^2)。

cos∠ODF1=向量DO·向量DF1/|DO|·|DF1|=(12+9k^2)/3√(1+k^2)(9+16k^2)/√k^4=(4k^2+3)/√(1+k^2)(9+16k^2)。

所以cos∠OEF1=cos∠ODF1,所以∠OEF1=∠ODF1.

總結

向量能夠簡便題中計算,也易於理解,是計算數學問題的有利工具。

對於任何橢圓的題中,一般都會結合韋達定理,如果再將韋達定理與向量結合就能更好的解決問題。

思路清晰,過程明了,所以在解題過程中注意使用這樣的方法來解答問題。

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