已知抛物线CC:x2=−2pyx^{2}=-2py经过点(2,−1).(1)(2,-1).(1)求抛物线CC的方程及其准线方程; (2)设OO为原点,过抛物线CC的焦点作斜率不为00的直线ll交抛物线CC于两点MM,NN,直线y=−1y=-1分别交直线OMOM,ONON于点AA和点B.B.求证:以ABAB为直径的圆经过yy轴上的两个定点.

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完整解法

(1)

1. 求出抛物线 $C$ 的方程

将点 (2,−1)(2,-1) 代入抛物线 CC 的方程 x2=−2pyx^2 = -2py,可得:
22=−2p⋅(−1)  ⟹  4=2p  ⟹  p=22^2 = -2p \cdot (-1) \implies 4 = 2p \implies p = 2
所以抛物线 CC 的方程为 x2=−4yx^2 = -4y。

2. 求出准线方程

因为 p=2p=2,且抛物线开口向下,其准线方程为 y=p2=1y = \dfrac{p}{2} = 1。

答案

抛物线 CC 的方程为 x2=−4yx^2 = -4y,其准线方程为 y=1y = 1。

(2)

1. 设出直线方程并联立得到韦达定理关系式

由(1)知,抛物线 CC 的焦点为 F(0,−1)F(0, -1)。
设过焦点 FF 且斜率不为 00 的直线 ll 的方程为 y=kx−1y = kx - 1 (k≠0k \neq 0)。
设 M(x1,y1)M(x_1, y_1),N(x2,y2)N(x_2, y_2) 为直线 ll 与抛物线 CC 的交点。
联立方程:
{y=kx−1x2=−4y  ⟹  x2+4kx−4=0\begin{cases} y = kx - 1 \\ x^2 = -4y \end{cases} \implies x^2 + 4kx - 4 = 0
由于该一元二次方程的判别式 Δ=16k2+16>0\Delta = 16k^2 + 16 > 0 恒成立,根据根与系数的关系可得:
x1x2=−4x_1 x_2 = -4

2. 求点 $A$ 和点 $B$ 的坐标

由于原点为 O(0,0)O(0,0),直线 OMOM 的方程为 y=y1x1xy = \dfrac{y_1}{x_1} x。
点 AA 是直线 OMOM 与直线 y=−1y = -1 的交点,代入得 −1=y1x1xA  ⟹  xA=−x1y1-1 = \dfrac{y_1}{x_1} x_A \implies x_A = -\dfrac{x_1}{y_1}。
因为 M(x1,y1)M(x_1, y_1) 在抛物线上,所以 y1=−x124y_1 = -\dfrac{x_1^2}{4},从而 xA=4x1x_A = \dfrac{4}{x_1},即 A(4x1,−1)A\left(\dfrac{4}{x_1}, -1\right)。
同理可得,点 BB 的坐标为 B(4x2,−1)B\left(\dfrac{4}{x_2}, -1\right)。

3. 通过向量数量积求出以 $AB$ 为直径的圆所过的 $y$ 轴定点

设圆经过 yy 轴上的定点 D(0,n)D(0, n)。
根据直径所对圆周角为直角,则对于任意的直线 ll,均有 DA→⋅DB→=0\overrightarrow{DA} \cdot \overrightarrow{DB} = 0 恒成立。
计算向量:
DA→=(4x1,−1−n),DB→=(4x2,−1−n)\overrightarrow{DA} = \left(\dfrac{4}{x_1}, -1 - n\right), \quad \overrightarrow{DB} = \left(\dfrac{4}{x_2}, -1 - n\right)
所以有:
DA→⋅DB→=16x1x2+(n+1)2=0\overrightarrow{DA} \cdot \overrightarrow{DB} = \dfrac{16}{x_1 x_2} + (n+1)^2 = 0
将 x1x2=−4x_1 x_2 = -4 代入,得:
−4+(n+1)2=0  ⟹  (n+1)2=4-4 + (n+1)^2 = 0 \implies (n+1)^2 = 4
解得 n=1n = 1 或 n=−3n = -3。
因此,以 ABAB 为直径的圆经过 yy 轴上的两个定点 (0,1)(0, 1) 和 (0,−3)(0, -3)。

答案

证明见解析,以 ABAB 为直径的圆经过 yy 轴上的两个定点 (0,1)(0, 1) 和 (0,−3)(0, -3)。

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