Question

設(shè)A、B是橢圓3x²+y²=λ上的兩點，點N（1，3）是線段AB的中點，線段AB的垂直平分線與橢圓相交于C、D兩點．
（Ⅰ）確定λ的取值范圍，并求直線AB的方程；
（Ⅱ）試判斷是否存在這樣的λ，使得A、B、C、D四點在同一個圓上？并說明理由．

Answer 1

（Ⅰ）解法一：依題意，可設(shè)直線AB的方程為y=k（x-1）+3，
代入3x²+y²=λ，整理得：（k²+3）x²-2k（k-3）x+（k-3）²-λ=0①
設(shè)A（x₁，y₁），B（x₂，y₂），則x₁，x₂是方程①的兩個不同的根，
∴△=4[λ（k²+3）-3（k-3）²]＞0，②
且x₁+x₂=

2k(k-3)

k2+3

．由N（1，3）是線段AB的中點，得x₁+x₂=2，
∴k（k-3）=k²+3解得k=-1，代入②得λ＞12，
即λ的取值范圍是（12，+∞）．
于是直線AB的方程為y-3=-（x-1），即x+y-4=0．
解法二：設(shè)A（x₁，y₁），B（x₂，y₂），則有

3 x 21 + y 21 =λ 3 x 22 + y 22 =λ.

?3 （x₁-x₂） （x₁+x₂）+（y₁-y₂）=0．
依題意，x₁≠x₂，∴k_AB=-

3(x1+x2)

y1+y2

．
∵N（1，3）是AB的中點，∴x₁+x₂=2，y₁+y₂=6，從而k_AB=-1．
又由N（1，3）在橢圓內(nèi)，∴λ＞3×1²+3²=12，
∴λ的取值范圍是（12，+∞）．
直線AB的方程為y-3=-（x-1），即x+y-4=0．
（Ⅱ）解法一：∵CD垂直平分AB，
∴直線CD的方程為y-3=x-1，即x-y+2=0代入橢圓方程，整理得4x²+4x+4-λ=0．③
又設(shè)C（x₃，y₃），D（x₄，y₄），CD的中點為M（x₀，y₀），
則x₃，x₄是方程③的兩根，
∴x₃+x₄=-1，且x₀=

x1+x2

2

=-

1

2

，y₀=x₀+2=

3

2

，即M（-

1

2

，

3

2

）
于是由弦長公式可得|CD|=

=+(- 1 k )2

•|x₃-x₄|=

2(λ-3)

．④
將直線AB的方程x+y-4=0代入橢圓方程得4x²-8x+16-λ=0．⑤
同理可得|AB|=

1+k2

•|x₁-x₂|=

2(λ-12)

．⑥
∵當(dāng)λ＞12時，

2(λ-3)

＞

2(λ-12)

，
∴|AB|＜|CD|．
假設(shè)存在λ＞12，使得A、B、C、D四點共圓，則CD必為圓的直徑，點M為圓心．
點M到直線AB的距離為d=

|x0+y0-4|

2

=

|- 1 2 + 3 2 -4|

2

=

3 2

2

．⑦
于是，由④⑥⑦式及勾股定理可得|MA|²=|MB|²=d²+|

AB

2

|2=

9

2

+

λ-12

2

=

λ-3

2

=|

CD

2

|2．
故當(dāng)λ＞12時，A、B、C、D四點均在以M為圓心，|

CD

2

|為半徑的圓上．
（注：上述解法中最后一步可按如下解法獲得：
A、B、C、D共圓?ACD為直角三角形，A為直角?|AN|²=|CN|•|DN|，
即(

|AB|

2

)2=（|

CD

2

|+d）（|

CD

2

|-d）．⑧
由⑥式知，⑧式左邊=

λ-12

2

，
由④⑦知，⑧式右邊=（

2(λ-3)

2

+

3 2

2

）（

2(λ-3)

2

-

3 2

2

）=

λ-3

2

-

9

2

=

λ-12

2

．
∴⑧式成立，即A、B、C、D四點共圓．）
解法二：由（Ⅱ）解法一知λ＞12，
∵CD垂直平分AB，
∴直線CD的方程為y-3=x-1，代入橢圓方程，整理得4x²+4x+4-λ=0．③
將直線AB的方程x+y-4=0代入橢圓方程整理得4x²-8x+16-λ=0．⑤
解③和⑤式可得x_1，2=

2± λ-12

2

，x_3，4=

-1± λ-3

2

，
不妨設(shè)A（1+

1

2

λ-12

，3-

1

2

λ-12

），
C（

-1- λ-3

2

，

3- λ-3

2

），D（

-1+ λ-3

2

，

3+ λ-3

2

）．
∴

CA

=（

3+ λ-12 + λ-3

2

，

3- λ-12 + λ-3

2

），

DA

=（

3+ λ-12 - λ-3

2

，

3- λ-12 - λ-3

2

），
計算可得

CA

•

DA

=0，
∴A在以CD為直徑的圓上．
又B為A關(guān)于CD的對稱點，
∴A、B、C、D四點共圓．