设椭圆 CC:x2a2+y2b2=1(a>b>0)\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}+\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1(a>b>0)的左,右焦点分别为 F1F_{1}, F2F_{2},其离心率为22\dfrac{\sqrt{2}}{2},过 F2F_{2}的直线 ll与 CC 交于 AA,BB 两点,且△AF1B\triangle AF_{1}B 的周长为 42.(1)4\sqrt{2}.(1)求椭圆 CC 的方程; (2)(2) 设椭圆 CC 的上顶点为 PP,证明:当 ll 的斜率为13\dfrac{1}{3}时,点 PP 在以 ABAB 为直径的圆上.

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完整解法

(1)

1. 利用椭圆定义表示三角形的周长

由椭圆的定义,对于椭圆 CC 上的任意一点 MM,其到两个焦点的距离之和为 2a2a。
因为过焦点 F2F_2 的直线 ll 与椭圆 CC 相交于 AA,BB 两点,
所以 △AF1B\triangle AF_1B 的周长为:
C△AF1B=∣AF1∣+∣AB∣+∣BF1∣=∣AF1∣+∣AF2∣+∣BF2∣+∣BF1∣=2a+2a=4aC_{\triangle AF_1B} = |AF_1| + |AB| + |BF_1| = |AF_1| + |AF_2| + |BF_2| + |BF_1| = 2a + 2a = 4a
已知周长为 424\sqrt{2},所以 4a=424a = 4\sqrt{2},得 a=2a = \sqrt{2}。

2. 结合离心率求焦点距离 $c$

由于椭圆的离心率 e=ca=22e = \dfrac{c}{a} = \dfrac{\sqrt{2}}{2},
将 a=2a = \sqrt{2} 代入,得 c=a⋅22=2⋅22=1c = a \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2} \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2} = 1。

3. 求出 $b^2$ 并写出椭圆标准方程

因为 a2=b2+c2a^2 = b^2 + c^2,
所以 b2=a2−c2=(2)2−12=1b^2 = a^2 - c^2 = (\sqrt{2})^2 - 1^2 = 1。
又 a>b>0a > b > 0,因此椭圆 CC 的标准方程为:
x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1

答案

椭圆 CC 的方程为 x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1

(2)

1. 确定点 $P$ 的坐标并写出直线 $l$ 的方程

由 (1) 可知,椭圆 CC 的方程为 x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1,上顶点 PP 的坐标为 (0,1)(0, 1),右焦点 F2F_2 的坐标为 (1,0)(1, 0)。
当直线 ll 的斜率为 13\dfrac{1}{3} 且过点 F2(1,0)F_2(1, 0) 时,直线 ll 的方程为:
y−0=13(x−1)  ⟹  x=3y+1y - 0 = \dfrac{1}{3}(x - 1) \implies x = 3y + 1

2. 联立直线与椭圆方程,得到韦达定理形式

将直线 ll 的方程 x=3y+1x = 3y + 1 代入椭圆方程 x22+y2=1\dfrac{x^2}{2} + y^2 = 1,得:
(3y+1)22+y2=1  ⟹  9y2+6y+1+2y2=2  ⟹  11y2+6y−1=0\dfrac{(3y + 1)^2}{2} + y^2 = 1 \implies 9y^2 + 6y + 1 + 2y^2 = 2 \implies 11y^2 + 6y - 1 = 0
因为 Δ=62−4×11×(−1)=80>0\Delta = 6^2 - 4 \times 11 \times (-1) = 80 > 0,所以方程有两个不相等的实数根。
设 A(x1,y1)A(x_1, y_1),B(x2,y2)B(x_2, y_2),则由一元二次方程根与系数的关系得:
y1+y2=−611,y1y2=−111y_1 + y_2 = -\dfrac{6}{11}, \quad y_1 y_2 = -\dfrac{1}{11}

3. 利用向量数量积证明 $PA \perp PB$,从而证得结论

因为 P(0,1)P(0, 1),所以 PA→=(x1,y1−1)\overrightarrow{PA} = (x_1, y_1 - 1),PB→=(x2,y2−1)\overrightarrow{PB} = (x_2, y_2 - 1)。
计算两个向量的数量积:
PA→⋅PB→=x1x2+(y1−1)(y2−1)\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = x_1 x_2 + (y_1 - 1)(y_2 - 1)
由于 x1=3y1+1x_1 = 3y_1 + 1,x2=3y2+1x_2 = 3y_2 + 1,代入上式得:
PA→⋅PB→=(3y1+1)(3y2+1)+y1y2−(y1+y2)+1=10y1y2+2(y1+y2)+2\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = (3y_1 + 1)(3y_2 + 1) + y_1 y_2 - (y_1 + y_2) + 1 = 10y_1 y_2 + 2(y_1 + y_2) + 2
将韦达定理 y1y2=−111y_1 y_2 = -\dfrac{1}{11} 和 y1+y2=−611y_1 + y_2 = -\dfrac{6}{11} 代入:
PA→⋅PB→=10(−111)+2(−611)+2=−1011−1211+2=−2+2=0\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = 10 \left(-\dfrac{1}{11}\right) + 2 \left(-\dfrac{6}{11}\right) + 2 = -\dfrac{10}{11} - \dfrac{12}{11} + 2 = -2 + 2 = 0
因为 PA→⋅PB→=0\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = 0,所以 PA⊥PBPA \perp PB,即 ∠APB=90∘\angle APB = 90^\circ。
故点 PP 在以 ABAB 为直径的圆上。

答案

证明见解析,点 PP 在以 ABAB 为直径的圆上。

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