1. 确定点 $P$ 的坐标并写出直线 $l$ 的方程
由 (1) 可知,椭圆 C 的方程为 2x2+y2=1,上顶点 P 的坐标为 (0,1),右焦点 F2 的坐标为 (1,0)。
当直线 l 的斜率为 31 且过点 F2(1,0) 时,直线 l 的方程为:
y−0=31(x−1)⟹x=3y+1
2. 联立直线与椭圆方程,得到韦达定理形式
将直线 l 的方程 x=3y+1 代入椭圆方程 2x2+y2=1,得:
2(3y+1)2+y2=1⟹9y2+6y+1+2y2=2⟹11y2+6y−1=0
因为 Δ=62−4×11×(−1)=80>0,所以方程有两个不相等的实数根。
设 A(x1,y1),B(x2,y2),则由一元二次方程根与系数的关系得:
y1+y2=−116,y1y2=−111
3. 利用向量数量积证明 $PA \perp PB$,从而证得结论
因为 P(0,1),所以 PA=(x1,y1−1),PB=(x2,y2−1)。
计算两个向量的数量积:
PA⋅PB=x1x2+(y1−1)(y2−1)
由于 x1=3y1+1,x2=3y2+1,代入上式得:
PA⋅PB=(3y1+1)(3y2+1)+y1y2−(y1+y2)+1=10y1y2+2(y1+y2)+2
将韦达定理 y1y2=−111 和 y1+y2=−116 代入:
PA⋅PB=10(−111)+2(−116)+2=−1110−1112+2=−2+2=0
因为 PA⋅PB=0,所以 PA⊥PB,即 ∠APB=90∘。
故点 P 在以 AB 为直径的圆上。
答案证明见解析,点 P 在以 AB 为直径的圆上。