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) 且与椭圆交于两点的直线斜率显然存在。
设直线 l 的方程为 y=kx+2,设交点为 A(x1,y1),B(x2,y2)。
联立直线与椭圆方程:
⎩⎨⎧y=kx+22x2+y2=1⟹(2k2+1)x2+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:
Δ=(8k)2−4(2k2+1)×6=16k2−24>0⟹k2>23
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=−2k2+18k,x1x2=2k2+16
由此可得弦长:
∣AB∣=1+k2∣x1−x2∣=1+k2(x1+x2)2−4x1x2
=1+k2(2k2+1)264k2−2k2+124=1+k22k2+116k2−24
原点 O(0,0) 到直线 kx−y+2=0 的距离:
d=1+k2∣2∣=1+k22
3. 建立 $\triangle AOB$ 的面积表达式
三角形 △AOB 的面积为:
S△AOB=21d∣AB∣=21⋅1+k22⋅1+k22k2+116k2−24=2k2+116k2−24
4. 使用换元法及基本不等式求面积的最大值
令 t=2k2−3。因为 k2>23,所以 t>0。
则 2k2=t+3,从而 2k2+1=t+4,且 16k2−24=8(2k2−3)=8t。
代入面积公式得:
S=t+48t=(t+4)28t=t+t16+88
因为 t>0,由基本不等式得 t+t16≥2t⋅t16=8。
所以 t+t16+8≥16,当且仅当 t=4 即 k2=27 时等号成立。
因此,S≤168=22
故 △AOB 面积的最大值为 22。
答案22