椭圆EE:x2a2+y2b2=1(a>b>0) \dfrac {x^{2}}{a^{2}}+ \dfrac {y^{2}}{b^{2}}=1(a > b > 0)的左右焦点分别为F1F_{1}、F2F_{2},DD为椭圆短轴上的一个顶点,DF1DF_{1}的延长线与椭圆相交于G.△DGF2G.\triangle DGF_{2}的周长为88,∣DF1∣=3∣GF1∣.(|DF_{1}|=3|GF_{1}|.(Ⅰ))求椭圆EE的方程; ((Ⅱ))过椭圆EE的左顶点AA作椭圆EE的两条互相垂直的弦ABAB、ACAC,试问直线BCBC是否恒过定点?若是,求出此定点的坐标;若不是,请说明理由.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 利用椭圆第一定义求得 $a$ 的值

设椭圆的半焦距为 cc。
由椭圆几何性质可知,短轴端点到两焦点的距离相等,即 ∣DF1∣=∣DF2∣=a|DF_{1}| = |DF_{2}| = a。
因为 GG 在椭圆上,由椭圆的定义有 ∣GF1∣+∣GF2∣=2a|GF_{1}| + |GF_{2}| = 2a。
又因为 DD、F1F_{1}、GG 三点共线,且 GG 在 DF1DF_{1} 的延长线上,所以 ∣DG∣=∣DF1∣+∣GF1∣=a+∣GF1∣|DG| = |DF_{1}| + |GF_{1}| = a + |GF_{1}|。
因此,△DGF2\triangle DGF_{2} 的周长为:
∣DG∣+∣GF2∣+∣DF2∣=(a+∣GF1∣)+∣GF2∣+a=a+(∣GF1∣+∣GF2∣)+a=4a|DG| + |GF_{2}| + |DF_{2}| = (a + |GF_{1}|) + |GF_{2}| + a = a + (|GF_{1}| + |GF_{2}|) + a = 4a
已知 △DGF2\triangle DGF_{2} 的周长为 88,故 4a=84a = 8,解得 a=2a = 2。

2. 求点 $G$ 的坐标并求得 $b^2$ 的值

因为 a=2a = 2,所以 ∣DF1∣=a=2|DF_{1}| = a = 2。
由已知 ∣DF1∣=3∣GF1∣|DF_{1}| = 3|GF_{1}|,可得 ∣GF1∣=23|GF_{1}| = \dfrac{2}{3},从而 ∣DG∣=2+23=83|DG| = 2 + \dfrac{2}{3} = \dfrac{8}{3}。
不妨设 D(0,b)D(0, b),F1(−c,0)F_{1}(-c, 0),则 DF1→=(−c,−b)\overrightarrow{DF_{1}} = (-c, -b)。
因为 DG→=∣DG∣∣DF1∣DF1→=43(−c,−b)=(−43c,−43b)\overrightarrow{DG} = \dfrac{|DG|}{|DF_{1}|}\overrightarrow{DF_{1}} = \dfrac{4}{3}(-c, -b) = \left(-\dfrac{4}{3}c, -\dfrac{4}{3}b\right),
所以点 GG 的坐标为 G=D+DG→=(−43c,−13b)G = D + \overrightarrow{DG} = \left(-\dfrac{4}{3}c, -\dfrac{1}{3}b\right)。
将点 GG 坐标代入椭圆方程 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1,得:
(−43c)2a2+(−13b)2b2=1  ⟹  16c29a2+19=1\dfrac{\left(-\frac{4}{3}c\right)^2}{a^2} + \dfrac{\left(-\frac{1}{3}b\right)^2}{b^2} = 1 \implies \dfrac{16c^2}{9a^2} + \dfrac{1}{9} = 1
解得 c2a2=12\dfrac{c^2}{a^2} = \dfrac{1}{2}。
因为 a=2a = 2(a2=4a^2 = 4),故 c2=2c^2 = 2,进而 b2=a2−c2=4−2=2b^2 = a^2 - c^2 = 4 - 2 = 2。
所以,椭圆 EE 的方程为 x24+y22=1\dfrac{x^{2}}{4} + \dfrac{y^{2}}{2} = 1。

答案

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

(Ⅱ)

1. 设出直线 $AB$ 的方程,并求出点 $B$ 和点 $C$ 的坐标

椭圆 EE 的左顶点为 A(−2,0)A(-2, 0)。
当直线 ABAB 的斜率存在且不为 00 时,设直线 ABAB 的方程为 y=k(x+2)y = k(x + 2)(k≠0k \neq 0)。
联立直线 ABAB 与椭圆方程:
{y=k(x+2)x24+y22=1\begin{cases} y = k(x + 2) \\ \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{y^2}{2} = 1 \end{cases}
将 yy 代入椭圆方程 x2+2y2=4x^2 + 2y^2 = 4 得:
x2+2k2(x+2)2=4  ⟹  (x+2)[(x−2)+2k2(x+2)]=0x^2 + 2k^2(x + 2)^2 = 4 \implies (x + 2)[(x - 2) + 2k^2(x + 2)] = 0
因为点 BB 异于点 A(−2,0)A(-2,0),所以 x+2≠0x + 2 \neq 0,解得:
xB=2−4k21+2k2,yB=k(xB+2)=4k1+2k2x_{B} = \dfrac{2 - 4k^2}{1 + 2k^2}, \quad y_{B} = k(x_B + 2) = \dfrac{4k}{1 + 2k^2}
即 B(2−4k21+2k2,4k1+2k2)B\left(\dfrac{2 - 4k^2}{1 + 2k^2}, \dfrac{4k}{1 + 2k^2}\right)。
同理,因为 AC⊥ABAC \perp AB,直线 ACAC 的斜率为 −1k-\dfrac{1}{k},用 −1k-\dfrac{1}{k} 替换 kk,可得点 CC 的坐标为:
xC=2k2−4k2+2,yC=−4kk2+2x_{C} = \dfrac{2k^2 - 4}{k^2 + 2}, \quad y_{C} = \dfrac{-4k}{k^2 + 2}

2. 求直线 $BC$ 的方程并证明其恒过定点

计算直线 BCBC 的斜率 kBCk_{BC}:
kBC=yC−yBxC−xB=−4kk2+2−4k1+2k22k2−4k2+2−2−4k21+2k2k_{BC} = \dfrac{y_C - y_B}{x_C - x_B} = \dfrac{\frac{-4k}{k^2 + 2} - \frac{4k}{1 + 2k^2}}{\frac{2k^2 - 4}{k^2 + 2} - \frac{2 - 4k^2}{1 + 2k^2}}
分子化简为:
−4k(1+2k2)−4k(k2+2)=−12k(k2+1)-4k(1 + 2k^2) - 4k(k^2 + 2) = -12k(k^2 + 1)
分母化简为:
(2k2−4)(1+2k2)−(2−4k2)(k2+2)=8(k4−1)=8(k2−1)(k2+1)(2k^2 - 4)(1 + 2k^2) - (2 - 4k^2)(k^2 + 2) = 8(k^4 - 1) = 8(k^2 - 1)(k^2 + 1)
故 kBC=−12k(k2+1)8(k2−1)(k2+1)=−3k2(k2−1)k_{BC} = \dfrac{-12k(k^2 + 1)}{8(k^2 - 1)(k^2 + 1)} = \dfrac{-3k}{2(k^2 - 1)}。
则直线 BCBC 的方程为:
y−4k1+2k2=−3k2(k2−1)(x−2−4k21+2k2)y - \dfrac{4k}{1 + 2k^2} = \dfrac{-3k}{2(k^2 - 1)} \left(x - \dfrac{2 - 4k^2}{1 + 2k^2}\right)
令 y=0y = 0,解得:
x=2−4k21+2k2+8(k2−1)3(1+2k2)=6−12k2+8k2−83(1+2k2)=−2(1+2k2)3(1+2k2)=−23x = \dfrac{2 - 4k^2}{1 + 2k^2} + \dfrac{8(k^2 - 1)}{3(1 + 2k^2)} = \dfrac{6 - 12k^2 + 8k^2 - 8}{3(1 + 2k^2)} = \dfrac{-2(1 + 2k^2)}{3(1 + 2k^2)} = -\dfrac{2}{3}
此结果与参数 kk 无关。
同理,当 ABAB 或 ACAC 中有一条直线斜率不存在(即垂直/水平)时,直线 BCBC 仍经过点 (−23,0)\left(-\dfrac{2}{3}, 0\right)。
综上,直线 BCBC 恒过定点 (−23,0)\left(-\dfrac{2}{3}, 0\right)。

答案

直线 BCBC 恒过定点 (−23,0)\left(-\dfrac{2}{3}, 0\right)

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