PP为椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}+\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1(a > b > 0)上一点,F1F_{1}、F2F_{2}是椭圆的左、右焦点,若使△F1PF2\triangle F_{1}PF_{2}为直角三角形的点PP共有88个,则椭圆离心率的取值范围是()()
A. (22,1)(\dfrac{\sqrt{2}}{2},1)
B. (32,1)(\dfrac{\sqrt{3}}{2},1)
C. (0,22)(0,\dfrac{\sqrt{2}}{2})
D. [22,1)[\dfrac{\sqrt{2}}{2},1)

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完整解法

1. 将直角三角形的分类讨论转化为几何位置关系

在 △F1PF2\triangle F_1PF_2 中,要使该三角形为直角三角形,直角可能发生在三个顶点处,即:

  1. ∠PF1F2=90∘\angle PF_1F_2 = 90^\circ;
  2. ∠PF2F1=90∘\angle PF_2F_1 = 90^\circ;
  3. ∠F1PF2=90∘\angle F_1PF_2 = 90^\circ。

2. 分析前两类直角情况下满足条件的点 $P$ 的个数

当 ∠PF1F2=90∘\angle PF_1F_2 = 90^\circ 时,点 PP 的横坐标为 x=−cx = -c。由于 c<ac < a,将 x=−cx = -c 代入椭圆方程得 c2a2+y2b2=1\dfrac{c^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1,解得 y=±b1−e2≠0y = \pm b\sqrt{1-e^2} \neq 0,因此在椭圆上有且仅有 22 个点满足条件。
同理,当 ∠PF2F1=90∘\angle PF_2F_1 = 90^\circ 时,点 PP 的横坐标为 x=cx = c,在椭圆上有且仅有 22 个点满足条件。
这两类情况下得到的 44 个点显然互不相同,且它们的直角不在 PP 处。因此,前两类情况总共能贡献 44 个满足条件的点 PP。

3. 分析第三类直角情况,并将其转化为圆与椭圆的交点问题

当 ∠F1PF2=90∘\angle F_1PF_2 = 90^\circ 时,由圆的性质可知,点 PP 在以 F1F2F_1F_2 为直径的圆上。该圆的圆心为原点 OO,半径为 cc,其方程为 x2+y2=c2x^2 + y^2 = c^2。
因为总共有 88 个点 PP 使 △F1PF2\triangle F_1PF_2 为直角三角形,且前两类情况贡献了 44 个点(这些点显然不满足 ∠F1PF2=90∘\angle F_1PF_2 = 90^\circ),所以第三类情况必须贡献且仅贡献 44 个点。
也就是说,圆 x2+y2=c2x^2 + y^2 = c^2 与椭圆 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1 必须有 44 个不同的交点。

4. 根据圆与椭圆的位置关系列出不等式

椭圆在 yy 轴上的顶点为 (0,±b)(0, \pm b),在 xx 轴上的顶点为 (±a,0)(\pm a, 0)。
为了使半径为 cc 的圆 x2+y2=c2x^2 + y^2 = c^2 与椭圆有 44 个不同的交点,圆的半径 cc 必须介于椭圆的短半轴 bb 和长半轴 aa 之间,即:
b<c<ab < c < a
由于在椭圆中 c<ac < a 恒成立,因此只需满足 c>bc > b 即可。

5. 求解离心率 $e$ 的取值范围并得出结论

由 c>bc > b 且 b2=a2−c2b^2 = a^2 - c^2,两边平方得:
c2>a2−c2  ⟹  2c2>a2  ⟹  c2a2>12c^2 > a^2 - c^2 \implies 2c^2 > a^2 \implies \dfrac{c^2}{a^2} > \dfrac{1}{2}
由于离心率 e=cae = \dfrac{c}{a} 且 0<e<10 < e < 1,故有:
e2>12  ⟹  e>22e^2 > \dfrac{1}{2} \implies e > \dfrac{\sqrt{2}}{2}
结合 0<e<10 < e < 1,可得离心率 ee 的取值范围是 (22,1)(\dfrac{\sqrt{2}}{2}, 1)。
因此正确选项为 A。

答案

A

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