已知椭圆CC :x2a2+y2b2=1(a>b>0)\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1(a>b>0) 的焦点FF 在直线x+y−1=0x+y-1=0 上,离心率为22.(1)\dfrac{\sqrt[]{2}}{2}.(1)求椭圆CC 的方程; (2)若OO 为坐标原点,过点M(0M(0 ,2)2) 作直线ll 交椭圆CC 于AA 、BB 两点,求△AOB\triangle AOB 面积的最大值.

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完整解法

(1)

1. 确定椭圆的半焦距 $c$

因为椭圆 CC 的方程为 x2a2+y2b2=1(a>b>0)\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1(a>b>0),所以其焦点在 xx 轴上,坐标为 (±c,0)(\pm c, 0)。
由于焦点 FF 在直线 x+y−1=0x+y-1=0 上,代入焦点坐标可得 c+0−1=0c+0-1=0,解得 c=1c=1(负值舍去)。

2. 求出 $a$ 和 $b^2$ 的值

由离心率 e=ca=22e = \dfrac{c}{a} = \dfrac{\sqrt{2}}{2},且 c=1c=1,得 a=2a = \sqrt{2}。
再由椭圆性质 a2=b2+c2a^2 = b^2 + c^2,得 b2=a2−c2=2−1=1b^2 = a^2 - c^2 = 2 - 1 = 1。

3. 写出椭圆的标准方程

综上,所求椭圆 CC 的方程为 x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1。

答案

x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1

(2)

1. 设出直线方程并与椭圆联立,求出参数 $k$ 的范围

由题意可知,过点 M(0,2)M(0, 2) 且与椭圆交于两点的直线斜率显然存在。
设直线 ll 的方程为 y=kx+2y = kx + 2,设交点为 A(x1,y1)A(x_1, y_1),B(x2,y2)B(x_2, y_2)。
联立直线与椭圆方程:
{y=kx+2x22+y2=1  ⟹  (2k2+1)x2+8kx+6=0\begin{cases} y = kx + 2 \\ \dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1 \end{cases} \implies (2k^2 + 1)x^2 + 8kx + 6 = 0
因为直线与椭圆相交于不同的两点,所以其判别式 Δ>0\Delta > 0:
Δ=(8k)2−4(2k2+1)×6=16k2−24>0  ⟹  k2>32\Delta = (8k)^2 - 4(2k^2+1) \times 6 = 16k^2 - 24 > 0 \implies k^2 > \dfrac{3}{2}

2. 利用韦达定理和弦长公式求出 $|AB|$ 及原点到直线的距离 $d$

由一元二次方程根与系数的关系得:
x1+x2=−8k2k2+1,x1x2=62k2+1x_1 + x_2 = -\dfrac{8k}{2k^2+1}, \quad x_1 x_2 = \dfrac{6}{2k^2+1}
由此可得弦长:
∣AB∣=1+k2∣x1−x2∣=1+k2(x1+x2)2−4x1x2|AB| = \sqrt{1+k^2} |x_1 - x_2| = \sqrt{1+k^2} \sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1 x_2}
=1+k264k2(2k2+1)2−242k2+1=1+k216k2−242k2+1= \sqrt{1+k^2} \sqrt{\dfrac{64k^2}{(2k^2+1)^2} - \dfrac{24}{2k^2+1}} = \sqrt{1+k^2} \dfrac{\sqrt{16k^2-24}}{2k^2+1}
原点 O(0,0)O(0,0) 到直线 kx−y+2=0kx - y + 2 = 0 的距离:
d=∣2∣1+k2=21+k2d = \dfrac{|2|}{\sqrt{1+k^2}} = \dfrac{2}{\sqrt{1+k^2}}

3. 建立 $\triangle AOB$ 的面积表达式

三角形 △AOB\triangle AOB 的面积为:
S△AOB=12d∣AB∣=12⋅21+k2⋅1+k216k2−242k2+1=16k2−242k2+1S_{\triangle AOB} = \dfrac{1}{2} d |AB| = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{2}{\sqrt{1+k^2}} \cdot \sqrt{1+k^2} \dfrac{\sqrt{16k^2-24}}{2k^2+1} = \dfrac{\sqrt{16k^2-24}}{2k^2+1}

4. 使用换元法及基本不等式求面积的最大值

令 t=2k2−3t = 2k^2 - 3。因为 k2>32k^2 > \dfrac{3}{2},所以 t>0t > 0。
则 2k2=t+32k^2 = t + 3,从而 2k2+1=t+42k^2 + 1 = t + 4,且 16k2−24=8(2k2−3)=8t16k^2 - 24 = 8(2k^2 - 3) = 8t。
代入面积公式得:
S=8tt+4=8t(t+4)2=8t+16t+8S = \dfrac{\sqrt{8t}}{t+4} = \sqrt{\dfrac{8t}{(t+4)^2}} = \sqrt{\dfrac{8}{t + \dfrac{16}{t} + 8}}
因为 t>0t > 0,由基本不等式得 t+16t≥2t⋅16t=8t + \dfrac{16}{t} \ge 2\sqrt{t \cdot \dfrac{16}{t}} = 8。
所以 t+16t+8≥16t + \dfrac{16}{t} + 8 \ge 16,当且仅当 t=4t = 4 即 k2=72k^2 = \dfrac{7}{2} 时等号成立。
因此,S≤816=22S \le \sqrt{\dfrac{8}{16}} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}
故 △AOB\triangle AOB 面积的最大值为 22\dfrac{\sqrt{2}}{2}。

答案

22\dfrac{\sqrt{2}}{2}

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