已知点A(2,1)A(\sqrt{2},1)是离心率为22\dfrac{\sqrt{2}}{2}的椭圆CC:x2a2+y2b2=1(a>b>0)\dfrac{{{x}^{2}}}{{{a}^{2}}}+\dfrac{{{y}^{2}}}{{{b}^{2}}}=1(a>b>0)上的一点. (1)求椭圆C{C}的方程; (2)点PP在椭圆上,点AA关于坐标原点的对称点为BB,直线APAP和BPBP的斜率都存在且不为00,试问直线APAP和BPBP的斜率之积是否为定值?若是,求此定值;;若不是,请说明理由; (3)斜率为22\dfrac{\sqrt{2}}{2}的直线ll交椭圆C{C}于MM、NN两点,求△AMN\triangle AMN面积的最大值,并求此时直线ll的方程.

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完整解法

(1)

1. 建立椭圆参数 $a, b, c$ 之间的比例关系

根据题意,椭圆 CC 的离心率为 e=ca=22e = \dfrac{c}{a} = \dfrac{\sqrt{2}}{2},且 a2=b2+c2a^2 = b^2 + c^2。
从而有 a2=2c2a^2 = 2c^2,故 a2=2(a2−b2)a^2 = 2(a^2 - b^2),解得 a2=2b2a^2 = 2b^2,即 a=2ba = \sqrt{2}b。

2. 代入已知点坐标求出椭圆方程

将点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 代入椭圆方程 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1,得:
(2)22b2+12b2=1⇒1b2+1b2=1⇒2b2=1\dfrac{(\sqrt{2})^2}{2b^2} + \dfrac{1^2}{b^2} = 1 \Rightarrow \dfrac{1}{b^2} + \dfrac{1}{b^2} = 1 \Rightarrow \dfrac{2}{b^2} = 1。
解得 b2=2b^2 = 2,所以 a2=2b2=4a^2 = 2b^2 = 4。
因此,椭圆 CC 的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1。

答案

椭圆 CC 的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1

(2)

1. 写出点 $B$ 的坐标及斜率表达式

点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 关于坐标原点的对称点为 BB,则 B(−2,−1)B(-\sqrt{2}, -1)。
设椭圆上的一点 P(x,y)P(x, y)(x≠±2x \neq \pm \sqrt{2}),则直线 APAP 的斜率 kAP=y−1x−2k_{AP} = \dfrac{y-1}{x-\sqrt{2}},直线 BPBP 的斜率 kBP=y+1x+2k_{BP} = \dfrac{y+1}{x+\sqrt{2}}。

2. 计算两斜率之积并利用曲线方程化简

两直线斜率之积为:
kAP⋅kBP=y−1x−2⋅y+1x+2=y2−1x2−2k_{AP} \cdot k_{BP} = \dfrac{y-1}{x-\sqrt{2}} \cdot \dfrac{y+1}{x+\sqrt{2}} = \dfrac{y^2-1}{x^2-2}。
因为点 P(x,y)P(x, y) 在椭圆上,所以 x24+y22=1\dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1,即 y2=2−x22y^2 = 2 - \dfrac{x^2}{2}。
代入得:y2−1=1−x22=−12(x2−2)y^2 - 1 = 1 - \dfrac{x^2}{2} = -\dfrac{1}{2}(x^2 - 2)。

3. 得出定值结论

因此,kAP⋅kBP=−12(x2−2)x2−2=−12k_{AP} \cdot k_{BP} = \dfrac{-\dfrac{1}{2}(x^2-2)}{x^2-2} = -\dfrac{1}{2}。
所以,直线 APAP 和 BPBP 的斜率之积为定值 −12-\dfrac{1}{2}。

答案

直线 APAP 和 BPBP 的斜率之积为定值,定值为 −12-\dfrac{1}{2}

(3)

1. 联立直线与椭圆方程并消元得到一元二次方程

设直线 ll 的方程为 y=22x+ty = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x + t。
联立方程组:
{y=22x+tx24+y22=1\begin{cases} y = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x + t \\ \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1 \end{cases}
消去 yy 并整理得:x2+2tx+t2−2=0x^2 + \sqrt{2}tx + t^2 - 2 = 0。
设 M(x1,y1),N(x2,y2)M(x_1, y_1), N(x_2, y_2),则由根与系数的关系得:
x1+x2=−2tx_1 + x_2 = -\sqrt{2}t,x1x2=t2−2x_1 x_2 = t^2 - 2。
由于直线与椭圆有两个交点,则判别式 Δ=(2t)2−4(t2−2)=8−2t2>0\Delta = (\sqrt{2}t)^2 - 4(t^2 - 2) = 8 - 2t^2 > 0,即 t2<4t^2 < 4。

2. 求弦长 $MN$

弦长 MN=1+k2∣x1−x2∣=1+12(x1+x2)2−4x1x2MN = \sqrt{1 + k^2} |x_1 - x_2| = \sqrt{1 + \dfrac{1}{2}} \sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}
=32(−2t)2−4(t2−2)=328−2t2=34−t2= \sqrt{\dfrac{3}{2}} \sqrt{(-\sqrt{2}t)^2 - 4(t^2 - 2)} = \sqrt{\dfrac{3}{2}} \sqrt{8 - 2t^2} = \sqrt{3} \sqrt{4 - t^2}。

3. 求点 $A$ 到直线 $l$ 的距离

将直线 ll 的方程改写为:2x−2y+2t=0\sqrt{2}x - 2y + 2t = 0。
点 A(2,1)A(\sqrt{2}, 1) 到直线 ll 的距离为:
d=∣2⋅2−2⋅1+2t∣(2)2+(−2)2=∣2t∣6=2∣t∣3d = \dfrac{|\sqrt{2} \cdot \sqrt{2} - 2 \cdot 1 + 2t|}{\sqrt{(\sqrt{2})^2 + (-2)^2}} = \dfrac{|2t|}{\sqrt{6}} = \dfrac{\sqrt{2}|t|}{\sqrt{3}}。

4. 表示三角形面积并利用基本不等式求最值

△AMN\triangle AMN 的面积为:
S=12⋅MN⋅d=12⋅34−t2⋅2∣t∣3=22∣t∣4−t2S = \dfrac{1}{2} \cdot MN \cdot d = \dfrac{1}{2} \cdot \sqrt{3}\sqrt{4-t^2} \cdot \dfrac{\sqrt{2}|t|}{\sqrt{3}} = \dfrac{\sqrt{2}}{2} |t|\sqrt{4-t^2}。
由基本不等式得:
t2(4−t2)⩽(t2+4−t22)2=4t^2(4 - t^2) \leqslant \left( \dfrac{t^2 + 4 - t^2}{2} \right)^2 = 4,
当且仅当 t2=4−t2t^2 = 4 - t^2,即 t2=2t^2 = 2 (t=±2t = \pm \sqrt{2}) 时等号成立。
此时面积 SS 取得最大值,最大值为 Smax=22⋅2=2S_{max} = \dfrac{\sqrt{2}}{2} \cdot 2 = \sqrt{2}。
满足 t2<4t^2 < 4,符合题意。
此时直线 ll 的方程为 y=22x±2y = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x \pm \sqrt{2}。

答案

△AMN\triangle AMN 面积的最大值为 2\sqrt{2},此时直线 ll 的方程为 y=22x±2y = \dfrac{\sqrt{2}}{2}x \pm \sqrt{2}

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