1. 将直角三角形的分类讨论转化为几何位置关系
在 △F1PF2 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:
- ∠PF1F2=90∘;
- ∠PF2F1=90∘;
- ∠F1PF2=90∘。
2. 分析前两类直角情况下满足条件的点 $P$ 的个数
当 ∠PF1F2=90∘ 时,点 P 的横坐标为 x=−c。由于 c<a,将 x=−c 代入椭圆方程得 a2c2+b2y2=1,解得 y=±b1−e2=0,因此在椭圆上有且仅有 2 个点满足条件。
同理,当 ∠PF2F1=90∘ 时,点 P 的横坐标为 x=c,在椭圆上有且仅有 2 个点满足条件。
这两类情况下得到的 4 个点显然互不相同,且它们的直角不在 P 处。因此,前两类情况总共能贡献 4 个满足条件的点 P。
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∘ 时,由圆的性质可知,点 P 在以 F1F2 为直径的圆上。该圆的圆心为原点 O,半径为 c,其方程为 x2+y2=c2。
因为总共有 8 个点 P 使 △F1PF2 为直角三角形,且前两类情况贡献了 4 个点(这些点显然不满足 ∠F1PF2=90∘),所以第三类情况必须贡献且仅贡献 4 个点。
也就是说,圆 x2+y2=c2 与椭圆 a2x2+b2y2=1 必须有 4 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 y 轴上的顶点为 (0,±b),在 x 轴上的顶点为 (±a,0)。
为了使半径为 c 的圆 x2+y2=c2 与椭圆有 4 个不同的交点,圆的半径 c 必须介于椭圆的短半轴 b 和长半轴 a 之间,即:
b<c<a
由于在椭圆中 c<a 恒成立,因此只需满足 c>b 即可。
5. 求解离心率 $e$ 的取值范围并得出结论
由 c>b 且 b2=a2−c2,两边平方得:
c2>a2−c2⟹2c2>a2⟹a2c2>21
由于离心率 e=ac 且 0<e<1,故有:
e2>21⟹e>22
结合 0<e<1,可得离心率 e 的取值范围是 (22,1)。
因此正确选项为 A。