问题 解答题
点M在椭圆
x2
a2
+
y2
b2
=1
(a>b>0)上,以M为圆心的圆与x轴相切于椭圆的右焦点F.
(I)若圆M与y轴相交于A、B两点,且△ABM是边长为2的正三角形,求椭圆的方程;
(Ⅱ)已知点F(1,0),设过点F的直线l交椭圆于C、D两点,若直线l绕点F任意转动时,恒有|OC|2+|OD|2<|CD|2成立,求实数a的取值范围.
答案

(I)∵△ABM是边长为2的正三角形,∴圆的半径r=2,

∴M到y轴的距离d=

3

又圆M与x轴相切,∴当x=c时,得y2=

b4
a2
,∴r=
b2
a

b2
a
=2,c=
3
∵a2-b2=c2

∴a2-3=2a,解得a=3或a=-1(舍去),则b2=2a=6.

故所求椭圆方程为

x2
9
+
y2
6
=1.

(II)①当直线l垂直于x轴时,把x=1代入,得

y2A
=
b2(a2-1)
a2

∵恒有|OC|2+|OD|2<|CD|2,∴2(1+

y2A
)<4
y2A
y2A
>1,即
a2-1
a
>1.

解得a>

1+
5
2
a<
1-
5
2
(舍去),即a>
1+
5
2

②当l不垂直x轴时,设C(x1,y1),D(x2,y2),

直线AB的方程为y=k(x-1),代入

x2
a2
+
y2
b2
=1

得(b2+a2k2)x2-2a2k2x+a2k2-a2b2=0,

x1+x2=

2a2bk2
b2+a2k2
x1x2=
a2k2-a2b2
b2+a2k2

∵恒有|OC|2+|OD|2<|CD|2,∴x12+y12+x22+y22<(x2-x12+(y2-y12,|OC|2+|OD|2<|CD|2恒成立,得x1x2+y1y2=x1x2+k2(x1-1)=(1+k2)x1x2-k2(x1+x2)+k2=

(a2-a2b2+b2)k2-a2b2
b2+a2k2

由题意得,(a2-a2b2+b2)k2-a2b2<0对k∈R恒成立.

当a2-a2b2+b2>0对k∈R不是恒成立的.

a2-a2b2+b2=0时,a=

1+
5
2
,恒成立.

当a2-a2b2+b2<0时恒成立,∴a2<a2b-b2,即a2<(a2-1)b2=b4

∵a>0,b>0,

∴a<b2,即a<a2-1,

∴a2-a-1>0,解得a>

1+
5
2
a<
1-
5
2
,即a>
1+
5
2

综上,a的取值范围是[

1+
5
2
,+∞)

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