已知点A(2,1)A(\sqrt{2},1)是离心率为22\dfrac{\sqrt{2}}{2}的椭圆CC:x2a2+y2b2=1(a > b > 0)\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1(a\text{ > }b\text{ > }0)上的一点. (1)求椭圆CC的方程; (2)点PP在椭圆上,点AA关于坐标原点的对称点为BB,直线AP\text{AP}和BP\text{BP}的斜率都存在且不为00,试问直线AP\text{AP}和BP\text{BP}的斜率之积是否为定值?若是,求此定值;\text{;}若不是,请说明理由; (3)斜率为22\dfrac{\sqrt{2}}{2}的直线ll交椭圆CC于MM、NN两点,求△AMN{\triangle}AMN面积的最大值,并求此时直线ll的方程.

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完整解法

(1)

1. 建立椭圆参数 $a, b, c$ 之间的关系

由题意,椭圆的离心率为 e=ca=22e = \dfrac{c}{a} = \dfrac{\sqrt{2}}{2},且 a2=b2+c2a^2 = b^2 + c^2。
由此可得 c2=12a2c^2 = \dfrac{1}{2}a^2,进而有 b2=a2−c2=12a2b^2 = a^2 - c^2 = \dfrac{1}{2}a^2,即 a2=2b2a^2 = 2b^2。

2. 代入已知点求解椭圆方程中的参数 $a^2$ 和 $b^2$

将点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 代入椭圆方程 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1 中,得:
2a2+1b2=1\dfrac{2}{a^2} + \dfrac{1}{b^2} = 1
将 a2=2b2a^2 = 2b^2 代入上式,得:
22b2+1b2=1  ⟹  2b2=1  ⟹  b2=2\dfrac{2}{2b^2} + \dfrac{1}{b^2} = 1 \implies \dfrac{2}{b^2} = 1 \implies b^2 = 2
从而 a2=2b2=4a^2 = 2b^2 = 4。
所以椭圆 CC 的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1。

答案

椭圆CC的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{2}=1

(2)

1. 确定对称点 $B$ 的坐标并用 $P$ 的坐标表示斜率

点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 关于坐标原点的对称点为 B(−2,−1)B(-\sqrt{2}, -1)。
设椭圆上不同于 A,BA, B 的点 P(x,y)P(x, y),则有 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1,即 y2=2−x22y^2 = 2 - \dfrac{x^2}{2}。
直线 APAP 的斜率为 kAP=y−1x−2k_{AP} = \dfrac{y - 1}{x - \sqrt{2}},直线 BPBP 的斜率为 kBP=y+1x+2k_{BP} = \dfrac{y + 1}{x + \sqrt{2}}。

2. 计算并化简斜率之积

计算斜率之积:
kAP⋅kBP=y−1x−2⋅y+1x+2=y2−1x2−2k_{AP} \cdot k_{BP} = \dfrac{y - 1}{x - \sqrt{2}} \cdot \dfrac{y + 1}{x + \sqrt{2}} = \dfrac{y^2 - 1}{x^2 - 2}
将 y2=2−x22y^2 = 2 - \dfrac{x^2}{2} 代入,得:
kAP⋅kBP=2−x22−1x2−2=1−x22x2−2=−12(x2−2)x2−2=−12k_{AP} \cdot k_{BP} = \dfrac{2 - \frac{x^2}{2} - 1}{x^2 - 2} = \dfrac{1 - \frac{x^2}{2}}{x^2 - 2} = \dfrac{-\frac{1}{2}(x^2 - 2)}{x^2 - 2} = -\dfrac{1}{2}
因为点 PP 不同于 A,BA, B,所以 x≠±2x \neq \pm \sqrt{2},即 x2−2≠0x^2 - 2 \neq 0,约分成立。
所以直线 APAP 和 BPBP 的斜率之积为定值 −12-\dfrac{1}{2}。

答案

直线 APAP 和 BPBP 的斜率之积为定值 −12-\dfrac{1}{2}

(3)

1. 联立直线与椭圆方程,求出根与系数的关系及判别式约束

设斜率为 22\dfrac{\sqrt{2}}{2} 的直线 ll 的方程为 y=22x+ty = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x + t。
联立直线与椭圆方程:
{y=22x+tx24+y22=1\begin{cases} y = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x + t \\ \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1 \end{cases}
消去 yy 并整理得:x2+2tx+t2−2=0x^2 + \sqrt{2}tx + t^2 - 2 = 0。
直线 ll 与椭圆交于两点 M,NM, N,则判别式满足:
Δ=(2t)2−4(t2−2)=−2t2+8>0  ⟹  t2<4\Delta = (\sqrt{2}t)^2 - 4(t^2 - 2) = -2t^2 + 8 > 0 \implies t^2 < 4
设 M(x1,y1),N(x2,y2)M(x_1, y_1), N(x_2, y_2),根据韦达定理:
x1+x2=−2t,x1x2=t2−2x_1 + x_2 = -\sqrt{2}t, \quad x_1x_2 = t^2 - 2

2. 计算弦长 $MN$ 以及点 $A$ 到直线 $l$ 的距离 $d$

弦长 MNMN 表达式为:
MN=1+k2∣x1−x2∣=1+12(x1+x2)2−4x1x2=328−2t2=34−t2MN = \sqrt{1 + k^2}|x_1 - x_2| = \sqrt{1 + \dfrac{1}{2}}\sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2} = \sqrt{\dfrac{3}{2}}\sqrt{8-2t^2} = \sqrt{3}\sqrt{4-t^2}
点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 到直线 l:2x−2y+2t=0l: \sqrt{2}x - 2y + 2t = 0 的距离 dd 为:
d=∣2(2)−2(1)+2t∣(2)2+(−2)2=∣2t∣6=63∣t∣d = \dfrac{|\sqrt{2}(\sqrt{2}) - 2(1) + 2t|}{\sqrt{(\sqrt{2})^2 + (-2)^2}} = \dfrac{|2t|}{\sqrt{6}} = \dfrac{\sqrt{6}}{3}|t|

3. 写出面积表达式并利用基本不等式求解最大面积及对应的 $t$ 值

面积 S△AMN=12⋅MN⋅d=12⋅34−t2⋅63∣t∣=22∣t∣4−t2S_{\triangle AMN} = \dfrac{1}{2} \cdot MN \cdot d = \dfrac{1}{2} \cdot \sqrt{3}\sqrt{4-t^2} \cdot \dfrac{\sqrt{6}}{3}|t| = \dfrac{\sqrt{2}}{2}|t|\sqrt{4-t^2}。
由基本不等式可得:
∣t∣4−t2=t2(4−t2)⩽t2+(4−t2)2=2|t|\sqrt{4-t^2} = \sqrt{t^2(4-t^2)} \leqslant \dfrac{t^2 + (4-t^2)}{2} = 2
因此 S△AMN⩽22×2=2S_{\triangle AMN} \leqslant \dfrac{\sqrt{2}}{2} \times 2 = \sqrt{2}。
当且仅当 t2=4−t2t^2 = 4 - t^2,即 t2=2t^2 = 2(此时满足 t2<4t^2 < 4),即 t=±2t = \pm\sqrt{2} 时取得等号。
此时 △AMN\triangle AMN 面积的最大值为 2\sqrt{2},直线 ll 的方程为 y=22x±2y = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x \pm \sqrt{2}。

答案

△AMN\triangle AMN 面积的最大值为 2\sqrt{2},此时直线 ll 的方程为 y=22x±2y=\dfrac{\sqrt{2}}{2}x\pm\sqrt{2}

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