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已知椭圆C的方程为+=1,试确定m的取值范围,使得对一直线y=4x+m,椭圆C上有不同两点P、Q关于该直线对称.

思路解析:本题解法很多,可以由Δ判定,也可以由交轨法,还可以考虑设而不求.

解法一:设出对称的两点的坐标及其所在的直线方程,再利用判别式Δ>0及中心在对称轴上来求解.

设椭圆C上关于直线l对称的两点为P(x1,y1)、Q(x2,y2),其所在直线方程为y=-x+b,代入椭圆方程3x2+4y2=12,整理得13x2-8bx+16b2-48=0.

∵x1≠x2,∴Δ=-192(4b2-13)>0,解得-<b<.                          ①

又∵=,=-,+b=b,

而点(,)在直线y=4x+m上,

∴m=-4·=-b.∴b=-m.                                     ②

将②代入①可解得-<m<,

即所求m的范围内(-,).

解法二:根据中点M必在P、Q两点之间,建立不等式,将问题转化为求解直线y=4x+m和过P、Q两点所在的直线的交点问题.

设PQ中点坐标为M(x0,y0).

由解法一知,2x0=x1+x2=,x1x2=,

消去y0,把x0=b代入可得m=-b,∴x0=-m.

由于中点M的位置(介于P、Q)之间必有不等关系(x1-x0)(x2-x0)<0,由此可得-<m<.

经验证,当-<m<时,

-<b<.

适合条件的点P、Q存在.

∴-<m<.

解法三:联想与弦的中点有关,利用“设而不求”法,可转化为利用均值不等式求出m的范围.

设P(x1,y1),Q(x2,y2),

若P、Q关于直线l:y=4x+m对称,当且仅当下列条件组成立.

(1)-(2)并把(3)代入,得y1+y2=3(x1+x2).                                              (5)

把(5)代入(4),得x1+x2=-2m.                                                            (6)

把(6)代入(5),得y1+y2=-6m.                                                             (7)

①+②,得3(x12+x22)+4(y12+y22)=24.                                       (8)

由题意x1≠x2,y1≠y2,根据均值不等式有

x12+x22,y12+y22.

∴3(x12+x22)+4(y12+y22)> (x1+x2)2+2(y1+y2)2.                 (9)

把(6)(7)(8)代入(9),解得-<m<,

即m∈(-,).

解法四:C上存在不同的两点关于直线l对称,等价于存在C的弦被l垂直平分,且垂足必在椭圆C的内部,因此,这类问题可转化为利用交点在曲线C内部建立不等式.

设P(x1,y1),Q(x2,y2),PQ中点M(x0,y0),代入椭圆方程有

3x12+4y12=12,           ①       3x22+4y22=12,           ②

①-②得=-=-=-.                    ③

又y0=4x0+m,                                                                 ④

由③④解得

∵M(-m,-3m)在椭圆的内部,

∴3(-m)2+4(-3m)2<12,解得-<m<.

即m∈(-,).

解法五:利用C上存在不同的两点P、Q关于直线l对称,则线段PQ中点必在l上,也必在椭圆C的斜率为-的平行弦的中点轨迹上,把问题整体转化为求椭圆C的斜率为-的平行弦中点的轨迹与直线l交点在椭圆C内部时的参数的取值范围问题.

设A(x1,y1)、B(x2,y2)是椭圆上的点,且kAB=-,M(x,y)是AB的中点,则有

(1)-(2),得3(x1-x2)(x1+x2)+4(y1-y2)(y1+y2)=0.

∴3x+4y=0,即3x+4y·(-)=0,∴y=3x.

∴椭圆C的斜率为-的平行弦中点轨迹是y=3x在椭圆C内的部分.

得交点(-m,-3m).

∵交点在椭圆C内,∴3(-m)2+4(-3m)2<12.

解得-<m<.


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