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=
,
由
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.
由
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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