问题 解答题
已知椭圆C:
x2
a2
+
y2
3
=1(a>
10
)的右焦点F在圆D:(x-2)2+y2=1上,直线l:x=my+3(m≠0)交椭圆于M,N两点.
(Ⅰ)求椭圆C的方程;
(Ⅱ)设点N关于x轴的对称点为N1,且直线N1M与x轴交于点P,试问△PMN的面积是否存在最大值?若存在,求出这个最大值;若不存在,请说明理由.
答案

(Ⅰ)由题设知,圆D:(x-2)2+y2=1,令y=0,

解得圆D与x轴交与两点(3,0),(1,0).

所以,在椭圆中c=3或c=1,又b2=3,

所以,a2=12或a2=4(舍去,因为a>

10
).

于是,椭圆C的方程为

x2
12
+
y2
3
=1.

(Ⅱ)设M(x1,y1),N(x2,y2),则N1(x2,-y2).

联立方程

x2
12
+
y2
3
=1
x=my+3
⇒(m2+4)y2+6my-3=0,

所以y1+y2=-

6m
m2+4
y1y2=-
3
m2+4

因为直线N1M的方程为

y-y1
-y2-y1
=
x-x1
x2-x1
,令y=0,

x=

y1(x2-x1)
y2-y1
+x1=
y1x2-y2x1
y1+y2
=
2my1y2+3(y1+y2)
y2+y1
=
-6m
m2+4
-
18m
m2+4
-6m
m2+4
=
-24m
-6m
=4

所以得点P(4,0).

解法一:S△PMN=

1
2
|FP|•|y1-y2|=
1
2
(y1+y2)2-4y1y2

=

1
2
36m2
(m2+4)2
+
12
(m2+4)
=2
3
m2+1
(m2+4)2
=2
3•
1
(m2+1)+
9
m2+1
+6
≤2
3
1
12
=1

当且仅当m2+1=3即m=±

2
时等号成立.

故△PMN的面积存在最大值1.

(或:S△PMN=2

3
m2+1
(m2+4)2
=2
3
-
1
(m2+4)2
+
1
m2+4

t=

1
m2+4
∈(0 , 
1
4
],

S△PMN=2

3
-3t2+t
=2
3
-3(t-
1
6
)
2
+
1
12
≤1.

当且仅当t=

1
6
∈(0 , 
1
4
]时等号成立,此时m2=2.

故△PMN的面积存在最大值为1.

解法二:|MN|=

(x1-x2)2+(y1-y2)2
=
(m2+1)[(y1+y2)2-4y1y2]
=
(m2+1)[
36m2
(m2+4)2
+
12
m2+4
]
=4
3
m2+1
m2+4

点P到直线l的距离是

|4-3|
m2+1
=
1
m2+1

所以,S△PMN=

4
3
2
1
m2+1
m2+1
m2+4
=2
3
m2+1
(m2+4)2
=2
3
-3(
1
m2+4
)
2
+
1
m2+4

t=

1
m2+4
∈(0 , 
1
4
],

S△PMN=2

3
-3t2+t
=2
3
-3(t-
1
6
)
2
+
1
12
≤1.

当且仅当t=

1
6
∈(0 , 
1
4
]时等号成立,此时m2=2.

故△PMN的面积存在最大值为1.

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