设A、B是椭圆3x2+y2=λ上的两点,点N(1,3)是线段AB的中点,线段AB的垂直平分线与椭圆相交于C、D两点.
(Ⅰ)确定λ的取值范围,并求直线AB的方程;
(Ⅱ)试判断是否存在这样的λ,使得A、B、C、D四点在同一个圆上?并说明理由.
(Ⅰ)解法一:依题意,可设直线AB的方程为y=k(x-1)+3,
代入3x2+y2=λ,整理得:(k2+3)x2-2k(k-3)x+(k-3)2-λ=0①
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1,x2是方程①的两个不同的根,
∴△=4[λ(k2+3)-3(k-3)2]>0,②
且x1+x2=.由N(1,3)是线段AB的中点,得x1+x2=2,
∴k(k-3)=k2+3解得k=-1,代入②得λ>12,
即λ的取值范围是(12,+∞).
于是直线AB的方程为y-3=-(x-1),即x+y-4=0.
解法二:设A(x1,y1),B(x2,y2),则有⇒3 (x1-x2) (x1+x2)+(y1-y2)=0.
依题意,x1≠x2,∴kAB=-.
∵N(1,3)是AB的中点,∴x1+x2=2,y1+y2=6,从而kAB=-1.
又由N(1,3)在椭圆内,∴λ>3×12+32=12,
∴λ的取值范围是(12,+∞).
直线AB的方程为y-3=-(x-1),即x+y-4=0.
(Ⅱ)解法一:∵CD垂直平分AB,
∴直线CD的方程为y-3=x-1,即x-y+2=0代入椭圆方程,整理得4x2+4x+4-λ=0.③
又设C(x3,y3),D(x4,y4),CD的中点为M(x0,y0),
则x3,x4是方程③的两根,
∴x3+x4=-1,且x0==-,y0=x0+2=,即M(-,)
于是由弦长公式可得|CD|=•|x3-x4|=.④
将直线AB的方程x+y-4=0代入椭圆方程得4x2-8x+16-λ=0.⑤
同理可得|AB|=•|x1-x2|=.⑥
∵当λ>12时,>,
∴|AB|<|CD|.
假设存在λ>12,使得A、B、C、D四点共圆,则CD必为圆的直径,点M为圆心.
点M到直线AB的距离为d===.⑦
于是,由④⑥⑦式及勾股定理可得|MA|2=|MB|2=d2+||2=+==||2.
故当λ>12时,A、B、C、D四点均在以M为圆心,||为半径的圆上.
(注:上述解法中最后一步可按如下解法获得:
A、B、C、D共圆⇔ACD为直角三角形,A为直角⇔|AN|2=|CN|•|DN|,
即()2=(||+d)(||-d).⑧
由⑥式知,⑧式左边=,
由④⑦知,⑧式右边=(+)(-)=-=.
∴⑧式成立,即A、B、C、D四点共圆.)
解法二:由(Ⅱ)解法一知λ>12,
∵CD垂直平分AB,
∴直线CD的方程为y-3=x-1,代入椭圆方程,整理得4x2+4x+4-λ=0.③
将直线AB的方程x+y-4=0代入椭圆方程整理得4x2-8x+16-λ=0.⑤
解③和⑤式可得x1,2=,x3,4=,
不妨设A(1+,3-),
C(,),D(,).
∴=(,),
=(,),
计算可得•=0,
∴A在以CD为直径的圆上.
又B为A关于CD的对称点,
∴A、B、C、D四点共圆.