复旦大学 2023年强基第8题
📝 题目
设椭圆 $\displaystyle \frac{x^{2}}{5^{2}}+\frac{y^{2}}{3^{2}}=1, M\left(4, \frac{9}{5}\right), N\left(-4,-\frac{9}{5}\right)$ 为椭圆上两点,求椭圆上点 $P$ 的个数,满足 $\angle M P N=105^{\circ}$"
💡 答案解析
解析:设 $P=(x, y)$ ,则 $\displaystyle \overrightarrow{M P}=\left(x-4, y-\frac{9}{5}\right), \overrightarrow{N P}=\left(x+4, y+\frac{9}{5}\right)$ ,故条件 $\angle M P N=105^{\circ}$ 等价于 $\displaystyle \frac{\overrightarrow{M P} \cdot \overrightarrow{P P}}{|\overrightarrow{M P}| \cdot|\overrightarrow{N P}|}=\frac{x^{2}-16+y^{2} \frac{B 1}{25}}{\sqrt{(x-4)^{2}+\left(y-\frac{9}{5}\right)^{2}} \cdot \sqrt{(x+4)^{2}+\left(y+\frac{9}{5}\right)^{2}}}=\cos 105^{\circ}$ .由于 $\displaystyle \cos 105^{\circ}=-\sin 15^{\circ}=-\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}\lt 0$ ,则上述条件可化为 $\displaystyle \left\{\begin{array}{l}x^{2}-16+y^{2}-\frac{81}{25}\lt 0 \\ \frac{1}{\sqrt{1+\frac{\left(\frac{18}{5} x-8 y\right)^{2}}{\left(x^{2}-16+y^{2}-\frac{81}{25}\right)^{2}}}}=\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}\end{array}\right.$ .由第二个方程可解出 $\displaystyle \pm(2+\sqrt{3})=\frac{\frac{18}{5} x-8 y}{x^{2}-16+y^{2} \frac{81}{25}}$ ,则上式可分为以下两种情形: (1)$\displaystyle \left\{\begin{array}{c}\frac{18}{5} x-8 y\lt 0 \\ \left(x-\frac{9}{5}(2-\sqrt{3})\right)^{2}+(y+4(2-\sqrt{3}))^{2}=481\left(\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{5}\right)^{2} ;\end{array}\right.$ (2)$\displaystyle \left\{\begin{array}{c}\frac{18}{5} x-8 y\gt 0 \\ \left(x+\frac{9}{5}(2-\sqrt{3})\right)^{2}+(y-4(2-\sqrt{3}))^{2}=481\left(\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{5}\right)^{2} .\end{array}\right.$ 在两种情形中,$(x, y)$ 的轨迹都是一个半圆,它的两个端点恰为 $M, N$ ,与椭圆交于一点.因此椭圆上满足条件的点恰有两个。
📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:设点P坐标,写出向量MP和NP
设P=(x,y),则向量MP=(x-4, y-9/5),NP=(x+4, y+9/5)。
公式:MP=(x-4, y-9/5), NP=(x+4, y+9/5)
提示:注意向量坐标的对应关系。
步骤 2/5
目标:利用向量夹角公式表示∠MPN=105°
由cos∠MPN = (MP·NP)/(|MP||NP|) = cos105°。计算MP·NP = (x-4)(x+4)+(y-9/5)(y+9/5)=x^2-16+y^2-81/25。
公式:cos∠MPN = (MP·NP)/(|MP||NP|)
提示:点积计算要准确。
步骤 3/5
目标:代入cos105°的值并化简
cos105° = -sin15° = -(√6-√2)/4 < 0。因此条件化为x^2+y^2-16-81/25 = -((√6-√2)/4) * |MP||NP|。两边平方并整理。
公式:cos105° = -(√6-√2)/4
提示:注意cos105°为负,平方时需小心符号。
步骤 4/5
目标:利用椭圆方程消去y或x
由椭圆方程x^2/25 + y^2/9 = 1,得y^2 = 9(1 - x^2/25)。代入化简后的方程,得到关于x的方程。
公式:y^2 = 9(1 - x^2/25)
提示:消元后注意x的取值范围:-5≤x≤5。
步骤 5/5
目标:求解关于x的方程并判断解的个数
化简后得到关于x的二次方程,判别式Δ>0,有两个解。但需检查是否在椭圆上且满足∠MPN=105°(非钝角条件)。经检验,两个解均符合,故P点个数为2。
公式:判别式Δ
提示:注意验证解是否在椭圆上,且角度条件是否成立。
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