问题 解答题
经过点F(0,1)且与直线y=-1相切的动圆的圆心轨迹为M.点A、D在轨迹M上,且关于y轴对称,过线段AD(两端点除外)上的任意一点作直线,使直线与轨迹M在点D处的切线平行,设直线与轨迹M交于点B、C.
(1)求轨迹M的方程;
(2)证明:∠BAD=∠CAD;
(3)若点D到直线AB的距离等于
2
2
|AD|
,且△ABC的面积为20,求直线BC的方程.
答案

(1)设动圆圆心为(x,y),依题意得,

x2+(y-1)2
=|y+1|,整理,得x2=4y.

所以轨迹M的方程为x2=4y.

(2)由(1)得x2=4y,即y=

1
4
x2,则y′=
1
2
x

设点D(x0

1
4
x02),由导数的几何意义知,直线的斜率为kBC=
1
2
x0

由题意知点A(-x0

1
4
x02).设点C(x1
1
4
x12
),B(x2
1
4
x22
),

kBC=

1
4
x12-
1
4
x22
x1-x2
=
x1+x2
4
=
1
2
x0
,即x1+x2=2x0

因为kAC=

1
4
x12-
1
4
x02
x1+x0
=
x1-x0
4
,kAB=
1
4
x22-
1
4
x02
x2+x0
=
x2-x0
4

由于kAC+kAB=

x1-x0
4
+
x2-x0
4
=
(x1+x2)-2x0
4
=0,即kAC=-kAB

所以∠BAD=∠CAD;

(3)由点D到AB的距离等于

2
2
|AD|,可知∠BAD=45°,

不妨设点C在AD上方,即x2<x1,直线AB的方程为:y-

1
4
x02=-(x+x0).

y-
1
4
x02=-(x+x0)
x2=4y
,解得点B的坐标为(x0-4,
1
4
(x0-4)2
),

所以|AB|=

2
|(x0-4)-(-x0)|=2
2
|x0-2|.

由(2)知∠BAD=∠CAD=45°,同理可得|AC|=2

2
|x0+2|,

所以△ABC的面积S=

1
2
×2
2
|x0-2|×2
2|
x0+2|=4|x02-4|=20,解得x0=±3,

当x0=3时,点B的坐标为(-1,

1
4
),kBC=
3
2

直线BC的方程为y-

1
4
=
3
2
(x+1),即6x-4y+7=0;

当x0=-3时,点B的坐标为(-7,

49
4
),kBC=-
3
2

直线BC的方程为y-

49
4
=-
3
2
(x+7),即6x+4y-7=0.

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