若双曲线的中心为原点,F(0,−2)F(0,-2)是双曲线的焦点,过FF的直线ll与双曲线相交于MM,NN两点,且MNMN的中点为P(3,1)P(3,1),则双曲线的方程为()(\quad)
A. x23−y2=1\dfrac{x^{2}}{3}-y^{2}=1
B. y2−x23=1y^{2}-\dfrac{x^{2}}{3}=1
C. y23−x2=1\dfrac{y^{2}}{3}-x^{2}=1
D. x2−y23=1x^{2}-\dfrac{y^{2}}{3}=1

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完整解法

1. 确定双曲线的焦点位置、方程形式及焦距参数

由题意,双曲线的焦点在 yy 轴上,且 F(0,−2)F(0,-2) 是其一个焦点,
所以 c=2c = 2,c2=4c^2 = 4。
设双曲线的方程为 y2a2−x2b2=1\dfrac{y^2}{a^2} - \dfrac{x^2}{b^2} = 1 (其中 a>0,b>0a > 0, b > 0),则有 a2+b2=c2=4a^2 + b^2 = c^2 = 4。

2. 求直线 $l$ (即 $MN$)的斜率

因为直线 ll 过焦点 F(0,−2)F(0,-2) 且与双曲线相交于 M,NM, N 两点,中点为 P(3,1)P(3,1),
所以 F,M,N,PF, M, N, P 共线,
则直线 ll 的斜率 k=kFP=1−(−2)3−0=1k = k_{FP} = \dfrac{1 - (-2)}{3 - 0} = 1。

3. 利用“点差法”求 $a^2$ 与 $b^2$ 的比例关系

设 M(x1,y1)M(x_1, y_1),N(x2,y2)N(x_2, y_2),则有:
{y12a2−x12b2=1y22a2−x22b2=1\begin{cases} \dfrac{y_1^2}{a^2} - \dfrac{x_1^2}{b^2} = 1 \\ \dfrac{y_2^2}{a^2} - \dfrac{x_2^2}{b^2} = 1 \end{cases}
两式相减得:
y12−y22a2−x12−x22b2=0  ⟹  (y1−y2)(y1+y2)a2=(x1−x2)(x1+x2)b2\dfrac{y_1^2 - y_2^2}{a^2} - \dfrac{x_1^2 - x_2^2}{b^2} = 0 \implies \dfrac{(y_1 - y_2)(y_1 + y_2)}{a^2} = \dfrac{(x_1 - x_2)(x_1 + x_2)}{b^2}
变形得:
y1−y2x1−x2⋅y1+y2x1+x2=a2b2\dfrac{y_1 - y_2}{x_1 - x_2} \cdot \dfrac{y_1 + y_2}{x_1 + x_2} = \dfrac{a^2}{b^2}
因为 P(3,1)P(3,1) 为 MNMN 的中点,所以 x1+x2=6x_1 + x_2 = 6,y1+y2=2y_1 + y_2 = 2,
又 k=y1−y2x1−x2=1k = \dfrac{y_1 - y_2}{x_1 - x_2} = 1,
代入上式可得:
1⋅26=a2b2  ⟹  b2=3a21 \cdot \dfrac{2}{6} = \dfrac{a^2}{b^2} \implies b^2 = 3a^2。

4. 联立求解 $a^2$ 和 $b^2$ 并写出双曲线方程

联立方程组:
{b2=3a2a2+b2=4\begin{cases} b^2 = 3a^2 \\ a^2 + b^2 = 4 \end{cases}
解得 a2=1a^2 = 1,b2=3b^2 = 3。
所以双曲线的方程为 y2−x23=1y^2 - \dfrac{x^2}{3} = 1。
对比选项,只有 B 符合。

答案

B

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