PP为圆A:(x+2)2+y2=36A:(x+2)^{2}+y^{2}=36上一动点,点BB的坐标为(2,0)(2,0),线段PBPB的垂直平分线交直线APAP于点QQ,记点QQ的轨迹为曲线C.(1)C.(1)求CC的方程;(2);(2)记(1)中曲线CC与xx轴的左右两个交点分别为A1A_{1}和A2A_{2},MM,NN为曲线CC上异于A1A_{1},A2A_{2}的两点,直线MNMN不过坐标原点,且不与坐标轴平行.点MM关于原点OO的对称点为SS,若直线A1SA_{1}S与直线A2NA_{2}N相交于点TT,直线OTOT与直线MNMN相交于点R.R.证明:在曲线CC上存在定点EE,使得△RBE\triangle RBE的面积为定值,并求该定值.

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完整解法

(1)

1. 分析垂直平分线和圆的关系,利用椭圆定义确定轨迹

因为线段 PBPB 的垂直平分线交直线 APAP 于点 QQ,所以 ∣QB∣=∣QP∣|QB|=|QP|.
因为点 PP 在圆 A:(x+2)2+y2=36A: (x+2)^2+y^2=36 上,圆心为 A(−2,0)A(-2,0),半径为 R=6R=6.
所以 ∣AQ∣+∣QP∣=∣AP∣=6|AQ|+|QP|=|AP|=6.
从而 ∣AQ∣+∣QB∣=6>∣AB∣=4|AQ|+|QB|=6 > |AB|=4.
根据椭圆的定义,点 QQ 的轨迹是以 A,BA, B 为焦点的椭圆,其中 2a=6,2c=42a=6, 2c=4.

2. 求解椭圆的标准方程

由上步可知 a=3,c=2a=3, c=2.
则 b2=a2−c2=9−4=5b^2 = a^2 - c^2 = 9 - 4 = 5.
所以曲线 CC 的方程为 x29+y25=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1.

答案

x29+y25=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1

(2)

1. 设直线 $MN$ 方程并与椭圆方程联立,写出根与系数的关系

由 (1) 知 A1(−3,0),A2(3,0)A_1(-3,0), A_2(3,0).
设 M(x1,y1),N(x2,y2)M(x_1, y_1), N(x_2, y_2),则 S(−x1,−y1)S(-x_1, -y_1).
依题意,设直线 MNMN 的方程为 x=my+nx=my+n (m≠0,n≠0m \neq 0, n \neq 0).
联立直线与椭圆方程:
{x=my+nx29+y25=1\begin{cases} x = my + n \\ \dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1 \end{cases}
消去 xx 得 (5m2+9)y2+10mny+5n2−45=0(5m^2+9)y^2 + 10mny + 5n^2 - 45 = 0.
由已知 Δ>0\Delta > 0, 且有:
y1+y2=−10mn5m2+9y_1 + y_2 = -\dfrac{10mn}{5m^2+9}, y1y2=5(n2−9)5m2+9y_1 y_2 = \dfrac{5(n^2-9)}{5m^2+9}.

2. 利用三点共线列出点 $T$ 的坐标关系,求解 $OT$ 的斜率

设 T(x0,y0)T(x_0, y_0). 因为 T,S,A1T, S, A_1 三点共线,
所以 y0x0+3=−y1−0−x1−(−3)=y1x1−3  ⟹  x0+3y0=x1−3y1\dfrac{y_0}{x_0+3} = \dfrac{-y_1 - 0}{-x_1 - (-3)} = \dfrac{y_1}{x_1-3} \implies \dfrac{x_0+3}{y_0} = \dfrac{x_1-3}{y_1}.
因为 T,N,A2T, N, A_2 三点共线,
所以 y0x0−3=y2x2−3  ⟹  x0−3y0=x2−3y2\dfrac{y_0}{x_0-3} = \dfrac{y_2}{x_2-3} \implies \dfrac{x_0-3}{y_0} = \dfrac{x_2-3}{y_2}.
两式相加得:
2x0y0=x1−3y1+x2−3y2=my1+n−3y1+my2+n−3y2=2m+(n−3)(1y1+1y2)\dfrac{2x_0}{y_0} = \dfrac{x_1-3}{y_1} + \dfrac{x_2-3}{y_2} = \dfrac{my_1+n-3}{y_1} + \dfrac{my_2+n-3}{y_2} = 2m + (n-3)\left(\dfrac{1}{y_1} + \dfrac{1}{y_2}\right)
=2m+(n−3)y1+y2y1y2=2m+(n−3)⋅(−10mn5(n2−9))=2m−2mnn+3=6mn+3= 2m + (n-3)\dfrac{y_1+y_2}{y_1 y_2} = 2m + (n-3) \cdot \left( -\dfrac{10mn}{5(n^2-9)} \right) = 2m - \dfrac{2mn}{n+3} = \dfrac{6m}{n+3}
所以直线 OTOT 的斜率为 kOT=y0x0=n+33mk_{OT} = \dfrac{y_0}{x_0} = \dfrac{n+3}{3m}.
因此,直线 OTOT 的方程为 y=n+33mxy = \dfrac{n+3}{3m}x.

3. 求出直线 $OT$ 与 $MN$ 的交点 $R$ 的坐标,证明其在定直线上

联立直线 OTOT 与直线 MNMN 的方程:
{y=n+33mxx=my+n\begin{cases} y = \dfrac{n+3}{3m}x \\ x = my + n \end{cases}
代入消元得 x=m(n+33mx)+n  ⟹  3x=(n+3)x+3n  ⟹  nx=−3nx = m \left(\dfrac{n+3}{3m}x\right) + n \implies 3x = (n+3)x + 3n \implies nx = -3n.
因为直线 MNMN 不过原点,所以 n≠0n \neq 0,从而得 x=−3x = -3.
所以,交点 RR 恒在定直线 l:x=−3l: x = -3 上.

4. 寻找定点 $E$ 使 $\triangle RBE$ 的面积为定值,并计算定值

要使 △RBE\triangle RBE 的面积为定值,其中 B(2,0)B(2,0),且点 RR 在定直线 x=−3x = -3 上运动。
选择 EE 为椭圆上满足 xE=2x_E = 2 的点,此时 BE⊥xBE \perp x 轴。
由于 BEBE 平行于定直线 x=−3x = -3,△RBE\triangle RBE 以 BEBE 为底时,高为 BB 到直线 x=−3x = -3 的距离,即 d=2−(−3)=5d = 2 - (-3) = 5(恒定)。
将 xE=2x_E = 2 代入椭圆方程 x29+y25=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1 得:
49+y25=1  ⟹  y2=259  ⟹  y=±53\dfrac{4}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1 \implies y^2 = \dfrac{25}{9} \implies y = \pm \dfrac{5}{3}.
取 E(2,53)E\left(2, \dfrac{5}{3}\right) 或 E(2,−53)E\left(2, -\dfrac{5}{3}\right),则底边长 ∣BE∣=53|BE| = \dfrac{5}{3},
此时 △RBE\triangle RBE 的面积为:
S△RBE=12⋅∣BE∣⋅d=12×53×5=256S_{\triangle RBE} = \dfrac{1}{2} \cdot |BE| \cdot d = \dfrac{1}{2} \times \dfrac{5}{3} \times 5 = \dfrac{25}{6}.
故在曲线 CC 上存在定点 E(2,±53)E\left(2, \pm \dfrac{5}{3}\right),使得 △RBE\triangle RBE 的面积为定值 256\dfrac{25}{6}.

答案

存在定点 E(2,±53)E\left(2, \pm \dfrac{5}{3}\right),使得 △RBE\triangle RBE 的面积为定值 256\dfrac{25}{6}.

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