已知圆C1C_{1}:x2+y2=r2(r>0)x^{2}+y^{2}=r^{2}(r > 0)与抛物线C2C_{2}:x2=2py(p>0)x^{2}=2py(p > 0),点(2,−2)( \sqrt {2},-2)是圆C1C_{1}与抛物线C2C_{2}准线ll的一个交点. (1)求圆C1C_{1}与抛物线C2C_{2}的方程; (2)若点MM是直线ll上的动点,过点MM作抛物线C2C_{2}的两条切线,切点分别为AA、BB,直线ABAB与圆C1C_{1}交于点EE、FF,求OE→⋅OF→ \overrightarrow{OE}⋅ \overrightarrow{OF}的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 确定抛物线的方程

抛物线 C2:x2=2pyC_2: x^2 = 2py (p>0p > 0) 的准线 ll 的方程为 y=−p2y = -\frac{p}{2}。
因为点 (2,−2)(\sqrt{2}, -2) 是圆 C1C_1 与准线 ll 的一个交点,所以该点在准线上,即 −2=−p2-2 = -\frac{p}{2},解得 p=4p = 4。
因此,抛物线 C2C_2 的方程为 x2=8yx^2 = 8y。

2. 确定圆的方程

因为点 (2,−2)(\sqrt{2}, -2) 在圆 C1:x2+y2=r2C_1: x^2+y^2 = r^2 上,将其代入圆的方程中,得:
(2)2+(−2)2=r2(\sqrt{2})^2 + (-2)^2 = r^2,
解得 r2=6r^2 = 6。
因此,圆 C1C_1 的方程为 x2+y2=6x^2 + y^2 = 6。

答案

圆C1C_1的方程为x2+y2=6x^2+y^2=6,抛物线C2C_2的方程为x2=8yx^2=8y.

(2)

1. 设点并求切点弦AB的方程

由(1)可知准线 ll 的方程为 y=−2y = -2,圆 C1C_1 的方程为 x2+y2=6x^2 + y^2 = 6。
设动点 M(t,−2)M(t, -2),切点 A(x1,y1)A(x_1, y_1), B(x2,y2)B(x_2, y_2)。
抛物线 C2:x2=8yC_2: x^2 = 8y 即 y=x28y = \frac{x^2}{8},对其求导得 y′=x4y' = \frac{x}{4}。
所以过点 A(x1,y1)A(x_1, y_1) 的切线方程为:y−y1=x14(x−x1)y - y_1 = \frac{x_1}{4}(x - x_1),化简得 y=x14x−x128=x14x−y1y = \frac{x_1}{4}x - \frac{x_1^2}{8} = \frac{x_1}{4}x - y_1。
又因为该切线过点 M(t,−2)M(t, -2),代入得:−2=t4x1−y1-2 = \frac{t}{4}x_1 - y_1,即 y1=t4x1+2y_1 = \frac{t}{4}x_1 + 2。
同理,过点 B(x2,y2)B(x_2, y_2) 的切线也过 M(t,−2)M(t, -2),可得 y2=t4x2+2y_2 = \frac{t}{4}x_2 + 2。
因此,切点 A,BA, B 的坐标均满足方程 y=t4x+2y = \frac{t}{4}x + 2。
所以直线 ABAB 的方程为 y=t4x+2y = \frac{t}{4}x + 2。

2. 联立直线与圆方程并应用韦达定理

设直线 ABAB 与圆 C1C_1 交于点 E(x3,y3)E(x_3, y_3), F(x4,y4)F(x_4, y_4)。
联立直线 ABAB 与圆 C1C_1 的方程:
{y=t4x+2x2+y2=6\begin{cases} y = \frac{t}{4}x + 2 \\ x^2 + y^2 = 6 \end{cases}
消去 yy 整理得:
x2+(t4x+2)2=6  ⟹  (1+t216)x2+tx−2=0x^2 + \left(\frac{t}{4}x + 2\right)^2 = 6 \implies \left(1 + \frac{t^2}{16}\right)x^2 + tx - 2 = 0
其判别式 Δ=t2−4(1+t216)(−2)=32t2+8>0\Delta = t^2 - 4\left(1 + \frac{t^2}{16}\right)(-2) = \frac{3}{2}t^2 + 8 > 0 恒成立。
根据一元二次方程根与系数的关系(韦达定理),得:
x3+x4=−t1+t216=−16t16+t2x_3 + x_4 = -\frac{t}{1 + \frac{t^2}{16}} = -\frac{16t}{16+t^2}
x3x4=−21+t216=−3216+t2x_3 x_4 = -\frac{2}{1 + \frac{t^2}{16}} = -\frac{32}{16+t^2}

3. 表示向量数量积

向量数量积 OE→⋅OF→=x3x4+y3y4\overrightarrow{OE}\cdot \overrightarrow{OF} = x_3 x_4 + y_3 y_4。
因为 y3=t4x3+2y_3 = \frac{t}{4}x_3 + 2,y4=t4x4+2y_4 = \frac{t}{4}x_4 + 2,
所以:
y3y4=(t4x3+2)(t4x4+2)=t216x3x4+t2(x3+x4)+4y_3 y_4 = \left(\frac{t}{4}x_3 + 2\right)\left(\frac{t}{4}x_4 + 2\right) = \frac{t^2}{16}x_3 x_4 + \frac{t}{2}(x_3 + x_4) + 4
代入数量积公式,得:
OE→⋅OF→=x3x4+t216x3x4+t2(x3+x4)+4\overrightarrow{OE}\cdot \overrightarrow{OF} = x_3 x_4 + \frac{t^2}{16}x_3 x_4 + \frac{t}{2}(x_3 + x_4) + 4
=(1+t216)x3x4+t2(x3+x4)+4= \left(1 + \frac{t^2}{16}\right)x_3 x_4 + \frac{t}{2}(x_3 + x_4) + 4
代入韦达定理的结果:
OE→⋅OF→=(1+t216)(−3216+t2)+t2(−16t16+t2)+4\overrightarrow{OE}\cdot \overrightarrow{OF} = \left(1 + \frac{t^2}{16}\right)\left(-\frac{32}{16+t^2}\right) + \frac{t}{2}\left(-\frac{16t}{16+t^2}\right) + 4
=−2−8t216+t2+4=2−8t216+t2= -2 - \frac{8t^2}{16+t^2} + 4 = 2 - \frac{8t^2}{16+t^2}

4. 求数量积的取值范围

将所得代数式变形:
2−8t216+t2=2−8(16+t2)−12816+t2=−6+12816+t22 - \frac{8t^2}{16+t^2} = 2 - \frac{8(16+t^2) - 128}{16+t^2} = -6 + \frac{128}{16+t^2}
因为 t∈Rt \in \mathbb{R},所以 t2≥0t^2 \ge 0,由此可得 16+t2≥1616+t^2 \ge 16。
从而 0<12816+t2≤12816=80 < \frac{128}{16+t^2} \le \frac{128}{16} = 8。
因此,−6<−6+12816+t2≤−6+8=2-6 < -6 + \frac{128}{16+t^2} \le -6+8 = 2。
所以 OE→⋅OF→\overrightarrow{OE}\cdot \overrightarrow{OF} 的取值范围是 (−6,2](-6, 2]。

答案

(−6,2](-6, 2]

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