问题 解答题
已知椭圆E:
x2
a2
+
y2
b2
=1(a>b>0)
的左焦点F1(-
5
,0)
,若椭圆上存在一点D,满足以椭圆短轴为直径的圆与线段DF1相切于线段DF1的中点F.
(Ⅰ)求椭圆E的方程;
(Ⅱ)已知两点Q(-2,0),M(0,1)及椭圆G:
9x2
a2
+
y2
b2
=1
,过点Q作斜率为k的直线l交椭圆G于H,K两点,设线段HK的中点为N,连接MN,试问当k为何值时,直线MN过椭圆G的顶点?
(Ⅲ) 过坐标原点O的直线交椭圆W:
9x2
2a2
+
4y2
b2
=1
于P、A两点,其中P在第一象限,过P作x轴的垂线,垂足为C,连接AC并延长交椭圆W于B,求证:PA⊥PB.
答案

(本小题满分14分)

(Ⅰ)连接DF2,FO(O为坐标原点,F2为右焦点),

由题意知:椭圆的右焦点为F2(

5
,0)

因为FO是△DF1F2的中位线,且DF1⊥FO,

所以|DF2|=2|FO|=2b,

所以|DF1|=2a-|DF2|=2a-2b,

|FF1|=

1
2
|DF1|=a-b.…(2分)

在Rt△FOF1中,|FO|2+|FF1|2=|F1O|2

即b2+(a-b)2=c2=5,又b2+5=a2,解得a2=9,b2=4,

所求椭圆E的方程为

x2
9
+
y2
4
=1.…(4分)

(Ⅱ) 由(Ⅰ)得椭圆G:x2+

y2
4
=1

设直线l的方程为y=k(x+2)并代入x2+

y2
4
=1

整理得:(k2+4)x2+4k2x+4k2-4=0

由△>0得:-

2
3
3
<k<
2
3
3
,…(5分)

设H(x1,y1),K(x2,y2),N(x0,y0

则由中点坐标公式得:

x0=
-2k2
k2+4
y0=k(x0+2)=
8k
k2+4
…(6分)

①当k=0时,有N(0,0),直线MN显然过椭圆G的两个顶点(0,-2),(0,2).…(7分)

②当k≠0时,则x0≠0,直线MN的方程为y=

y0-1
x0
x+1

此时直线MN显然不能过椭圆G的两个顶点(0,-2),(0,2);

若直线MN过椭圆G的顶点(1,0),则0=

y0-1
x0
+1,即x0+y0=1,

所以

-2k2
k2+4
+
8k
k2+4
=1,解得:k=
2
3
,k=2
(舍去),…(8分)

若直线MN过椭圆G的顶点(-1,0),则0=-

y0-1
x0
+1,即x0-y0=-1,

所以

-2k2
k2+4
-
8k
k2+4
=-1,

解得:k=-4+2

5
,k=-4-2
5
(舍去).…(9分)

综上,当k=0或k=

2
3
k=-4+2
5
时,直线MN过椭圆G的顶点.…(10分)

(Ⅲ)法一:由(Ⅰ)得椭圆W的方程为

x2
2
+y2=1,…(11分)

根据题意可设P(m,n),则A(-m,-n),C(m,0)

则直线AC的方程为y+n=

n
2m
(x+m),…①

过点P且与AP垂直的直线方程为y-n=-

m
n
(x-m),…②

①×②并整理得:

x2
2
+y2=
m2
2
+n2

又P在椭圆W上,所以

m2
2
+n2=1,

所以

x2
2
+y2=1,

即①、②两直线的交点B在椭圆W上,所以PA⊥PB.…(14分)

法二:由(Ⅰ)得椭圆W的方程为

x2
2
+y2=1

根据题意可设P(m,n),则A(-m,-n),C(m,0),

kPA=

n
m
kAC=
n
2m

所以直线AC:y=

n
2m
(x-m)
y=
n
2m
(x-m)
x2
2
+y2=1

化简得(1+

n2
2m2
)x2-
n2
m
x+
n2
2
-2=0,

所以xA+xB=

2mn2
2m2+n2

因为xA=-m,所以xB=

2m3+3mn2
2m2+n2
,则yB=
n
2m
xB-
n
2
=
n3
2m2+n2
.…(12分)

所以kPB=

n3
2m2+n2
-n
2m3+3mn2
2m2+n2
-m
=-
m
n
,则kPA•kPB=-1,故PA⊥PB.…(14分)

单项选择题
多项选择题