1. 设出直线 $l$ 的方程并表示出 $|QB|^2$
易知 Q ( − 1 , 0 ) Q(-1,0) Q ( − 1 , 0 ) 在曲线 C C C 上。若直线 l l l 的斜率不存在,即 l : x = − 1 l: x = -1 l : x = − 1 ,则动点 M ( x 0 , y 0 ) M(x_0,y_0) M ( x 0 , y 0 ) 满足 x 0 ≠ − 1 x_0 \neq -1 x 0 = − 1 ,此时直线 M B MB MB 与 l l l 平行无交点,不合题意。故直线 l l l 的斜率存在。
设直线 l l l 的方程为 y = k ( x + 1 ) y = k(x+1) y = k ( x + 1 ) ,即 k x − y + k = 0 kx - y + k = 0 k x − y + k = 0 。
设动点 M M M 的坐标为 ( x 0 , 1 2 x 0 2 + 1 2 x 0 ) \left(x_0, \frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right) ( x 0 , 2 1 x 0 2 + 2 1 x 0 ) (其中 x 0 ≠ − 1 x_0 \neq -1 x 0 = − 1 )。
因为 M B ⊥ x MB \perp x MB ⊥ x 轴且 B B B 在直线 l l l 上,所以 B B B 的坐标为 ( x 0 , k ( x 0 + 1 ) ) (x_0, k(x_0+1)) ( x 0 , k ( x 0 + 1 )) 。
因此:
∣ Q B ∣ 2 = ( x 0 − ( − 1 ) ) 2 + ( k ( x 0 + 1 ) − 0 ) 2 = ( 1 + k 2 ) ( x 0 + 1 ) 2 |QB|^2 = (x_0 - (-1))^2 + (k(x_0+1) - 0)^2 = (1+k^2)(x_0+1)^2 ∣ QB ∣ 2 = ( x 0 − ( − 1 ) ) 2 + ( k ( x 0 + 1 ) − 0 ) 2 = ( 1 + k 2 ) ( x 0 + 1 ) 2
2. 利用向量投影表示出线段 $|QA|$ 的长度
因为 M A ⊥ l MA \perp l M A ⊥ l ,点 A A A 为点 M M M 在直线 l l l 上的正投影,且 Q , A , B Q, A, B Q , A , B 均在直线 l l l 上。
向量 Q M → = ( x 0 + 1 , 1 2 x 0 2 + 1 2 x 0 ) = ( x 0 + 1 ) ( 1 , 1 2 x 0 ) \overrightarrow{QM} = \left(x_0+1, \frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right) = (x_0+1)\left(1, \frac{1}{2}x_0\right) QM = ( x 0 + 1 , 2 1 x 0 2 + 2 1 x 0 ) = ( x 0 + 1 ) ( 1 , 2 1 x 0 ) 。
直线 l l l 的单位方向向量为 u ⃗ = ( 1 , k ) 1 + k 2 \vec{u} = \frac{(1, k)}{\sqrt{1+k^2}} u = 1 + k 2 ( 1 , k ) 。
所以 ∣ Q A ∣ |QA| ∣ Q A ∣ 的长度等于向量 Q M → \overrightarrow{QM} QM 在直线 l l l 上的投影长度:
∣ Q A ∣ = ∣ Q M → ⋅ u ⃗ ∣ = ∣ ( x 0 + 1 ) ⋅ 1 + ( 1 2 x 0 2 + 1 2 x 0 ) ⋅ k ∣ 1 + k 2 = ∣ x 0 + 1 ∣ ⋅ ∣ 1 + 1 2 k x 0 ∣ 1 + k 2 |QA| = |\overrightarrow{QM} \cdot \vec{u}| = \frac{\left|(x_0+1)\cdot 1 + \left(\frac{1}{2}x_0^2 + \frac{1}{2}x_0\right)\cdot k\right|}{\sqrt{1+k^2}} = \frac{|x_0+1| \cdot \left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|}{\sqrt{1+k^2}} ∣ Q A ∣ = ∣ QM ⋅ u ∣ = 1 + k 2 ∣ ( x 0 + 1 ) ⋅ 1 + ( 2 1 x 0 2 + 2 1 x 0 ) ⋅ k ∣ = 1 + k 2 ∣ x 0 + 1∣ ⋅ ∣ 1 + 2 1 k x 0 ∣
3. 计算比值表达式,利用常数条件求出斜率 $k$ 及直线方程
将 ∣ Q B ∣ 2 |QB|^2 ∣ QB ∣ 2 和 ∣ Q A ∣ |QA| ∣ Q A ∣ 代入比值表达式得:
∣ Q B ∣ 2 ∣ Q A ∣ = ( 1 + k 2 ) ( x 0 + 1 ) 2 ∣ x 0 + 1 ∣ ⋅ ∣ 1 + 1 2 k x 0 ∣ 1 + k 2 = ( 1 + k 2 ) 3 2 ⋅ ∣ x 0 + 1 ∣ ∣ 1 + 1 2 k x 0 ∣ \frac{|QB|^2}{|QA|} = \frac{(1+k^2)(x_0+1)^2}{\frac{|x_0+1| \cdot \left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|}{\sqrt{1+k^2}}} = (1+k^2)^{\frac{3}{2}} \cdot \frac{|x_0+1|}{\left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|} ∣ Q A ∣ ∣ QB ∣ 2 = 1 + k 2 ∣ x 0 + 1∣ ⋅ ∣ 1 + 2 1 k x 0 ∣ ( 1 + k 2 ) ( x 0 + 1 ) 2 = ( 1 + k 2 ) 2 3 ⋅ ∣ 1 + 2 1 k x 0 ∣ ∣ x 0 + 1∣
要使 ∣ Q B ∣ 2 ∣ Q A ∣ \frac{|QB|^2}{|QA|} ∣ Q A ∣ ∣ QB ∣ 2 对任意 x 0 ≠ − 1 x_0 \neq -1 x 0 = − 1 恒为常数,当且仅当 ∣ x 0 + 1 ∣ ∣ 1 + 1 2 k x 0 ∣ \frac{|x_0+1|}{\left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right|} ∣ 1 + 2 1 k x 0 ∣ ∣ x 0 + 1∣ 与 x 0 x_0 x 0 无关。
改写分母:1 + 1 2 k x 0 = 1 2 k ( x 0 + 2 k ) 1 + \frac{1}{2}kx_0 = \frac{1}{2}k\left(x_0 + \frac{2}{k}\right) 1 + 2 1 k x 0 = 2 1 k ( x 0 + k 2 ) 。
要使分母与分子中的 ( x 0 + 1 ) (x_0+1) ( x 0 + 1 ) 成比例,必须有 2 k = 1 \frac{2}{k} = 1 k 2 = 1 ,解得 k = 2 k = 2 k = 2 。
当 k = 2 k = 2 k = 2 时,∣ 1 + 1 2 k x 0 ∣ = ∣ x 0 + 1 ∣ \left|1 + \frac{1}{2}kx_0\right| = |x_0 + 1| 1 + 2 1 k x 0 = ∣ x 0 + 1∣ ,化简得比值 ∣ Q B ∣ 2 ∣ Q A ∣ = ( 1 + 2 2 ) 3 2 = 5 5 \frac{|QB|^2}{|QA|} = (1+2^2)^{\frac{3}{2}} = 5\sqrt{5} ∣ Q A ∣ ∣ QB ∣ 2 = ( 1 + 2 2 ) 2 3 = 5 5 为常数。
故直线 l l l 的方程为 y = 2 ( x + 1 ) y = 2(x+1) y = 2 ( x + 1 ) ,即 2 x − y + 2 = 0 2x - y + 2 = 0 2 x − y + 2 = 0 。
答案 2 x − y + 2 = 0 2x - y + 2 = 0 2 x − y + 2 = 0 (或 y = 2 x + 2 y = 2x + 2 y = 2 x + 2 )