已知F1F_{1},F2F_{2}是椭圆和双曲线的公共焦点,MM是它们的一个公共点,且∠F1MF2=π3∠F_{1}MF_{2}=\dfrac{π}{3},则椭圆和双曲线的离心率的倒数之和的最大值为()(\quad)
A. 22
B. 233\dfrac{2\sqrt{3}}{3}
C. 433\dfrac{4\sqrt{3}}{3}
D. 44

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完整解法

1. 设出相关量,根据圆锥曲线定义表示焦半径关系

设椭圆的长半轴为 aa,双曲线的实半轴为 a1a_{1}(其中 a>a1a > a_{1}),半焦距为 cc。
记 MF1=r1MF_{1} = r_{1},MF2=r2MF_{2} = r_{2},焦距 F1F2=2cF_{1}F_{2} = 2c。
由椭圆的定义可知:r1+r2=2ar_{1} + r_{2} = 2a;
由双曲线的定义及对称性可知:∣r1−r2∣=2a1|r_{1} - r_{2}| = 2a_{1}。

2. 利用余弦定理建立焦半径与焦距的几何关系

在 △F1MF2\triangle F_{1}MF_{2} 中,已知 ∠F1MF2=π3\angle F_{1}MF_{2} = \dfrac{\pi}{3}。
由余弦定理得:
∣F1F2∣2=r12+r22−2r1r2cos⁡π3|F_{1}F_{2}|^2 = r_{1}^2 + r_{2}^2 - 2r_{1}r_{2}\cos\dfrac{\pi}{3}
即:
4c2=r12+r22−r1r2①4c^2 = r_{1}^2 + r_{2}^2 - r_{1}r_{2} \quad \text{①}

3. 联立几何关系与椭圆、双曲线方程特征,求出离心率倒数的关系式

将椭圆定义式 (r1+r2)2=4a2(r_{1} + r_{2})^2 = 4a^2 展开,得 r12+r22=4a2−2r1r2r_{1}^2 + r_{2}^2 = 4a^2 - 2r_{1}r_{2}。代入①中得:
4c2=4a2−3r1r2  ⟹  3r1r24c2=a2c2−1=1e12−1②4c^2 = 4a^2 - 3r_{1}r_{2} \implies \dfrac{3r_{1}r_{2}}{4c^2} = \dfrac{a^2}{c^2} - 1 = \dfrac{1}{e_{1}^2} - 1 \quad \text{②}
将双曲线定义式 (r1−r2)2=4a12(r_{1} - r_{2})^2 = 4a_{1}^2 展开,得 r12+r22=4a12+2r1r2r_{1}^2 + r_{2}^2 = 4a_{1}^2 + 2r_{1}r_{2}。代入①中得:
4c2=4a12+r1r2  ⟹  r1r24c2=1−a12c2=1−1e22③4c^2 = 4a_{1}^2 + r_{1}r_{2} \implies \dfrac{r_{1}r_{2}}{4c^2} = 1 - \dfrac{a_{1}^2}{c^2} = 1 - \dfrac{1}{e_{2}^2} \quad \text{③}
联立②③两式,消去 r1r24c2\dfrac{r_{1}r_{2}}{4c^2},得:
13(1e12−1)=1−1e22  ⟹  1e12+3e22=4\dfrac{1}{3} \left( \dfrac{1}{e_{1}^2} - 1 \right) = 1 - \dfrac{1}{e_{2}^2} \implies \dfrac{1}{e_{1}^2} + \dfrac{3}{e_{2}^2} = 4

4. 利用不等式求解离心率倒数之和的最大值

令 x=1e1x = \dfrac{1}{e_{1}},y=1e2y = \dfrac{1}{e_{2}}。因为 e1∈(0,1)e_{1} \in (0,1),e2>1e_{2} > 1,所以 x>1x > 1,0<y<10 < y < 1。
已知 x2+3y2=4x^2 + 3y^2 = 4,求 x+yx + y 的最大值。
根据柯西不等式:
(x+y)2=(1⋅x+13⋅3y)2≤(12+(13)2)(x2+3y2)(x + y)^2 = \left( 1 \cdot x + \dfrac{1}{\sqrt{3}} \cdot \sqrt{3}y \right)^2 \le \left( 1^2 + \left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)^2 \right) (x^2 + 3y^2)
(x+y)2≤(1+13)⋅4=163(x + y)^2 \le \left( 1 + \dfrac{1}{3} \right) \cdot 4 = \dfrac{16}{3}
因此,x+y≤433x + y \le \dfrac{4\sqrt{3}}{3}
等号成立条件为 x1=3y1/3  ⟹  x=3y\dfrac{x}{1} = \dfrac{\sqrt{3}y}{1/\sqrt{3}} \implies x = 3y。
代入 x2+3y2=4x^2 + 3y^2 = 4 得 12y2=4  ⟹  y=33∈(0,1)12y^2 = 4 \implies y = \dfrac{\sqrt{3}}{3} \in (0,1),此时 x=3>1x = \sqrt{3} > 1,符合题意。
所以椭圆和双曲线的离心率的倒数之和的最大值为 433\dfrac{4\sqrt{3}}{3}。

答案

C

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