设双曲线CC:x2a2−y2b2=1(a>0,b>0)\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}-\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1\left(a>0,b>0\right)的左、右焦点分别为F1{{F}_{1}},F2{{F}_{2}},过F1{{F}_{1}}的直线ll分别与双曲线左右两支交于MM,NN两点,以MNMN为直径的圆过F2{{F}_{2}},且MF2→⋅MN→=12MN→2\overrightarrow{M{{F}_{2}}}\cdot\overrightarrow{MN}=\dfrac{1}{2}{{\overrightarrow{MN}}^{2}},则直线ll的斜率为
A. 24\dfrac{\sqrt{2}}{4}
B. 22\dfrac{\sqrt{2}}{2}
C. 33\dfrac{\sqrt{3}}{3}
D. 32\dfrac{\sqrt{3}}{2}

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完整解法

1. 由向量数量积与圆的性质确定 $\triangle MF_2N$ 的形状

因为 MNMN 为圆的直径,且圆过点 F2F_2,所以 ∠MF2N=90∘\angle MF_2N = 90^\circ,即 MF2→⊥NF2→\overrightarrow{MF_2} \perp \overrightarrow{NF_2}。
由向量加法有 MN→=MF2→+F2N→\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{MF_2} + \overrightarrow{F_2N},代入已知条件 MF2→⋅MN→=12MN→2\overrightarrow{MF_2} \cdot \overrightarrow{MN} = \dfrac{1}{2}\overrightarrow{MN}^2 得:
MF2→⋅(MF2→+F2N→)=∣MF2→∣2+0=∣MF2→∣2\overrightarrow{MF_2} \cdot (\overrightarrow{MF_2} + \overrightarrow{F_2N}) = |\overrightarrow{MF_2}|^2 + 0 = |\overrightarrow{MF_2}|^2
故 ∣MF2→∣2=12∣MN→∣2  ⟹  ∣MF2→∣=22∣MN→∣|\overrightarrow{MF_2}|^2 = \dfrac{1}{2}|\overrightarrow{MN}|^2 \implies |\overrightarrow{MF_2}| = \dfrac{\sqrt{2}}{2}|\overrightarrow{MN}|。
在 Rt△MF2N\triangle MF_2N 中,∣NF2→∣=∣MN→∣2−∣MF2→∣2=22∣MN→∣|\overrightarrow{NF_2}| = \sqrt{|\overrightarrow{MN}|^2 - |\overrightarrow{MF_2}|^2} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}|\overrightarrow{MN}|。
因此 △MF2N\triangle MF_2N 是等腰直角三角形,且 ∠F2MN=45∘\angle F_2MN = 45^\circ。

2. 结合双曲线定义求线段 $MN$ 的长及各焦点半径

因为左焦点 F1(−c,0)F_1(-c, 0) 满足 −c<−a-c < -a,直线 ll 过 F1F_1 交双曲线左、右两支于 M,NM, N 两点,所以点 MM 位于 F1F_1 与 NN 之间(即 xF1<xM<xNx_{F_1} < x_M < x_N),三点排列顺序为 F1−M−NF_1 - M - N。
故 MN=F1N−F1MMN = F_1N - F_1M。
由双曲线定义:
点 NN 在右支上,则 F1N−F2N=2a  ⟹  F1N=F2N+2aF_1N - F_2N = 2a \implies F_1N = F_2N + 2a;
点 MM 在左支上,则 F2M−F1M=2a  ⟹  F1M=F2M−2aF_2M - F_1M = 2a \implies F_1M = F_2M - 2a。
代入得:
MN=(F2N+2a)−(F2M−2a)=F2N−F2M+4aMN = (F_2N + 2a) - (F_2M - 2a) = F_2N - F_2M + 4a
由第 1 步知 F2N=F2MF_2N = F_2M,所以 MN=4aMN = 4a。
从而 MF2=NF2=22MN=22aMF_2 = NF_2 = \dfrac{\sqrt{2}}{2} MN = 2\sqrt{2}a,且 F1M=MF2−2a=2(2−1)aF_1M = MF_2 - 2a = 2(\sqrt{2}-1)a。

3. 在 $\triangle F_1 M F_2$ 中应用余弦定理求 $c$ 与 $a$ 的关系

在 △F1MF2\triangle F_1 M F_2 中,由于 F1,M,NF_1, M, N 共线,有 ∠F1MF2=180∘−∠NMF2=180∘−45∘=135∘\angle F_1 M F_2 = 180^\circ - \angle N M F_2 = 180^\circ - 45^\circ = 135^\circ。
由余弦定理得:
F1F22=F1M2+MF22−2F1M⋅MF2cos⁡135∘F_1F_2^2 = F_1M^2 + MF_2^2 - 2 F_1M \cdot MF_2 \cos 135^\circ
将 F1M=2(2−1)aF_1M = 2(\sqrt{2}-1)a 和 MF2=22aMF_2 = 2\sqrt{2}a 代入:
F1M2=4(2−1)2a2=(12−82)a2F_1M^2 = 4(\sqrt{2}-1)^2 a^2 = (12 - 8\sqrt{2})a^2
MF22=8a2MF_2^2 = 8a^2
−2F1M⋅MF2cos⁡135∘=−2⋅2(2−1)a⋅22a⋅(−22)=(82−8)a2-2 F_1M \cdot MF_2 \cos 135^\circ = -2 \cdot 2(\sqrt{2}-1)a \cdot 2\sqrt{2}a \cdot \left(-\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right) = (8\sqrt{2} - 8)a^2
相加得:
(2c)2=(12−82+8+82−8)a2=12a2(2c)^2 = (12 - 8\sqrt{2} + 8 + 8\sqrt{2} - 8)a^2 = 12a^2
解得 c=3ac = \sqrt{3}a。

4. 利用正弦定理求直线 $l$ 的斜率

设直线 ll 的倾斜角为 θ=∠MF1F2\theta = \angle M F_1 F_2。
在 △F1MF2\triangle F_1 M F_2 中,由正弦定理得:
MF2sin⁡θ=F1F2sin⁡135∘\dfrac{MF_2}{\sin \theta} = \dfrac{F_1F_2}{\sin 135^\circ}
代入已知量:
22asin⁡θ=23a22=26a  ⟹  sin⁡θ=2226=33\dfrac{2\sqrt{2}a}{\sin \theta} = \dfrac{2\sqrt{3}a}{\frac{\sqrt{2}}{2}} = 2\sqrt{6}a \implies \sin \theta = \dfrac{2\sqrt{2}}{2\sqrt{6}} = \dfrac{\sqrt{3}}{3}
因为 θ∈(0,π)\theta \in (0, \pi),所以 cos⁡θ=1−sin⁡2θ=63\cos \theta = \sqrt{1 - \sin^2 \theta} = \dfrac{\sqrt{6}}{3}。
故直线 ll 的斜率大小为:
∣k∣=tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=3/36/3=22|k| = \tan \theta = \dfrac{\sin \theta}{\cos \theta} = \dfrac{\sqrt{3}/3}{\sqrt{6}/3} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}
对照选项,直线 ll 的斜率为 22\dfrac{\sqrt{2}}{2},故选 B。

答案

B

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