已知过点P(1,32)P(1,\dfrac{3}{2})的曲线CC的方程为(x−1)2+y2+(x+1)2+y2=2a.(Ⅰ)\sqrt{{{(x-1)}^{2}}+{{y}^{2}}}+\sqrt{{{(x+1)}^{2}}+{{y}^{2}}}=2a.(Ⅰ)求曲线CC的标准方程; (Ⅱ)(Ⅱ)已知点F(1,0)F(1,0),AA为直线x=4x=4上任意一点,过FF作AFAF的垂线交曲线CC于点BB,D.(ⅰ)D.(ⅰ)证明:OAOA平分线段BD(BD(其中OO为坐标原点)); (ⅱ)(ⅱ)求∣BD∣∣AF∣\dfrac{|BD|}{|AF|}最大值.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 代入已知点 $P$ 的坐标求出 $a$ 的值

将点 P(1,32)P\left(1, \dfrac{3}{2}\right) 的坐标代入曲线 CC 的方程 (x−1)2+y2+(x+1)2+y2=2a\sqrt{(x-1)^2+y^2}+\sqrt{(x+1)^2+y^2}=2a 中:
(1−1)2+(32)2+(1+1)2+(32)2=2a\sqrt{(1-1)^2 + \left(\frac{3}{2}\right)^2} + \sqrt{(1+1)^2 + \left(\frac{3}{2}\right)^2} = 2a
32+4+94=32+52=4=2a\frac{3}{2} + \sqrt{4 + \frac{9}{4}} = \frac{3}{2} + \frac{5}{2} = 4 = 2a
解得 a=2a = 2。

2. 求出 $b^2$ 并写出曲线 $C$ 的标准方程

由方程结构可知,曲线 CC 为以 F1(−1,0),F2(1,0)F_1(-1,0), F_2(1,0) 为焦点的椭圆,半焦距 c=1c = 1。
又 a=2a = 2,因此 b2=a2−c2=4−1=3b^2 = a^2 - c^2 = 4 - 1 = 3。
故曲线 CC 的标准方程为:
x24+y23=1\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1

答案

曲线 CC 的标准方程为 x24+y23=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{3} = 1。

(Ⅱ)(ⅰ)

1. 设出直线 $BD$ 的方程并求得点 $A$ 的坐标与直线 $OA$ 的方程

因为 F(1,0)F(1,0),设直线 BDBD 的方程为 x=k0y+1x = k_0 y + 1。
又点 AA 在直线 x=4x = 4 上,设 A(4,yA)A(4, y_A)。
由 AF⊥BDAF \perp BD,得 AF→=(−3,−yA)\overrightarrow{AF} = (-3, -y_A) 与直线 BDBD 的方向向量 (k0,1)(k_0, 1) 垂直,
所以 AF→⋅(k0,1)=−3k0−yA=0  ⟹  yA=−3k0\overrightarrow{AF} \cdot (k_0, 1) = -3 k_0 - y_A = 0 \implies y_A = -3 k_0。
故 A(4,−3k0)A(4, -3 k_0),直线 OAOA 的斜率为 kOA=−3k04k_{OA} = -\dfrac{3 k_0}{4}。

2. 将直线与椭圆方程联立,用韦达定理求线段 $BD$ 的中点坐标

将 x=k0y+1x = k_0 y + 1 代入椭圆方程 3x2+4y2=123x^2 + 4y^2 = 12 得:
3(k0y+1)2+4y2=12  ⟹  (3k02+4)y2+6k0y−9=03(k_0 y + 1)^2 + 4y^2 = 12 \implies (3 k_0^2 + 4) y^2 + 6 k_0 y - 9 = 0
设 B(x1,y1),D(x2,y2)B(x_1, y_1), D(x_2, y_2),由韦达定理得:
y1+y2=−6k03k02+4y_1 + y_2 = -\frac{6 k_0}{3 k_0^2 + 4}
x1+x2=k0(y1+y2)+2=−6k023k02+4+2=83k02+4x_1 + x_2 = k_0(y_1 + y_2) + 2 = -\frac{6 k_0^2}{3 k_0^2 + 4} + 2 = \frac{8}{3 k_0^2 + 4}
设线段 BDBD 的中点为 M(xM,yM)M(x_M, y_M),则:
xM=43k02+4,yM=−3k03k02+4x_M = \frac{4}{3 k_0^2 + 4}, \quad y_M = -\frac{3 k_0}{3 k_0^2 + 4}

3. 证明 $O, M, A$ 三点共线,推出 $OA$ 平分线段 $BD$

计算原点 OO 与中点 MM 连线的斜率:
kOM=yMxM=−3k03k02+443k02+4=−3k04k_{OM} = \frac{y_M}{x_M} = \frac{-\frac{3 k_0}{3 k_0^2 + 4}}{\frac{4}{3 k_0^2 + 4}} = -\frac{3 k_0}{4}
因为 kOM=kOA=−3k04k_{OM} = k_{OA} = -\dfrac{3 k_0}{4},所以 O,M,AO, M, A 三点共线。
即直线 OAOA 经过线段 BDBD 的中点 MM,故 OAOA 平分线段 BDBD。

答案

证明见解析,已证得 OAOA 平分线段 BDBD。

(Ⅱ)(ⅱ)

1. 利用距离公式与弦长公式表示 $|AF|$ 和 $|BD|$ 的长度

由 A(4,−3k0)A(4, -3 k_0) 和 F(1,0)F(1,0),得:
∣AF∣=(4−1)2+(−3k0−0)2=3k02+1|AF| = \sqrt{(4-1)^2 + (-3 k_0 - 0)^2} = 3 \sqrt{k_0^2 + 1}
由上一问的一元二次方程 (3k02+4)y2+6k0y−9=0(3 k_0^2 + 4) y^2 + 6 k_0 y - 9 = 0,判别式为:
Δ=(6k0)2−4(3k02+4)(−9)=144(k02+1)>0\Delta = (6 k_0)^2 - 4(3 k_0^2 + 4)(-9) = 144(k_0^2 + 1) > 0
由弦长公式得:
∣BD∣=1+k02⋅∣y1−y2∣=1+k02⋅Δ3k02+4=12(k02+1)3k02+4|BD| = \sqrt{1 + k_0^2} \cdot |y_1 - y_2| = \sqrt{1 + k_0^2} \cdot \frac{\sqrt{\Delta}}{3 k_0^2 + 4} = \frac{12(k_0^2 + 1)}{3 k_0^2 + 4}

2. 表示比值,通过换元与单调性分析求最大值

计算比值:
∣BD∣∣AF∣=12(k02+1)3k02+43k02+1=4k02+13k02+4\frac{|BD|}{|AF|} = \frac{\frac{12(k_0^2 + 1)}{3 k_0^2 + 4}}{3 \sqrt{k_0^2 + 1}} = \frac{4 \sqrt{k_0^2 + 1}}{3 k_0^2 + 4}
令 u=k02+1≥1u = \sqrt{k_0^2 + 1} \ge 1,则 k02=u2−1k_0^2 = u^2 - 1,故 3k02+4=3u2+13 k_0^2 + 4 = 3 u^2 + 1。
代入上式得:
∣BD∣∣AF∣=4u3u2+1=43u+1u\frac{|BD|}{|AF|} = \frac{4 u}{3 u^2 + 1} = \frac{4}{3 u + \frac{1}{u}}
设函数 g(u)=3u+1ug(u) = 3 u + \frac{1}{u}(u≥1u \ge 1),求导得 g′(u)=3−1u2g'(u) = 3 - \frac{1}{u^2}。
当 u≥1u \ge 1 时,u2≥1  ⟹  1u2≤1  ⟹  g′(u)≥2>0u^2 \ge 1 \implies \frac{1}{u^2} \le 1 \implies g'(u) \ge 2 > 0,故 g(u)g(u) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增。
因此 g(u)≥g(1)=3(1)+1=4g(u) \ge g(1) = 3(1) + 1 = 4(当且仅当 u=1u = 1,即 k0=0k_0 = 0 时取得最小值)。
所以:
∣BD∣∣AF∣=4g(u)≤44=1\frac{|BD|}{|AF|} = \frac{4}{g(u)} \le \frac{4}{4} = 1
即 ∣BD∣∣AF∣\dfrac{|BD|}{|AF|} 的最大值为 11。

答案

∣BD∣∣AF∣\dfrac{|BD|}{|AF|} 的最大值为 11。

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