题目
Problem
The ellipse E has equation
25x2+16y2=1.
The point P lies on the ellipse and has coordinates (5cosθ,4sinθ) where 0<θ<2π.
The line l is the normal to the ellipse at the point P.
(a) Show that an equation for l is
5xsinθ−4ycosθ=9sinθcosθ.
The point F is the focus of E that lies on the positive x-axis.
(b) Determine the coordinates of F.
The line l crosses the x-axis at the point Q.
(c) Show that
PFQF=e
where e is the eccentricity of E.
(12)
题目中文翻译
椭圆 E 的方程为
25x2+16y2=1
点 P 在椭圆上,坐标为 (5cosθ,4sinθ),其中 0<θ<2π。
直线 l 是点 P 处的法线。
(a) 证明 l 的方程为
5xsinθ−4ycosθ=9sinθcosθ
点 F 是椭圆 E 在正 x 轴上的焦点。
(b) 求 F 的坐标。
直线 l 与 x 轴交于点 Q。
(c) 证明
PFQF=e
其中 e 为 E 的离心率。
解答
(a)
解法一
思路
展开
用参数方程分别求 dx/dθ 与 dy/dθ,得到切线斜率,再取负倒数求法线斜率。随后使用点斜式并整理到题目给定形式。
答题过程
展开
For P=(5cosθ,4sinθ),
dθdx=−5sinθ,dθdy=4cosθ.
Thus the gradient of the tangent is
dxdy=−5sinθ4cosθ.
Since 0<θ<2π, both sinθ and cosθ are non-zero. Therefore the gradient of the normal is
mN=4cosθ5sinθ.
The normal through P has equation
y−4sinθ=4cosθ5sinθ(x−5cosθ).
Multiplying by 4cosθ and rearranging,
4ycosθ−16sinθcosθ=5xsinθ−4ycosθ=5xsinθ−25sinθcosθ,9sinθcosθ.
Hence
5xsinθ−4ycosθ=9sinθcosθ.
(b)
解法一
思路
展开
椭圆的半长轴为 a=5、半短轴为 b=4。焦距满足 c2=a2−b2,正 x 轴上的焦点即为 (c,0)。
答题过程
展开
For the ellipse,
a=5,b=4.
Hence the focal distance is
c=a2−b2=25−16=3.
Therefore the focus on the positive x-axis is
F=(3,0).
Also, the eccentricity is
e=ac=53.
(c)
解法一
思路
展开
先在 (a) 的法线方程中令 y=0 求出 Q。然后分别求 QF 和 PF;计算 PF 时利用 sin2θ=1−cos2θ,所得二次式恰为完全平方。给定角度范围可确定长度表达式的正号。
答题过程
展开
At Q, y=0. Using the equation from part (a),
5xsinθ=9sinθcosθ.
Since sinθ>0,
x=59cosθ,
so
Q=(59cosθ,0).
As 0<cosθ<1,
QF=3−59cosθ=53(5−3cosθ).
Also,
PF2====(5cosθ−3)2+(4sinθ)225cos2θ−30cosθ+9+16(1−cos2θ)9cos2θ−30cosθ+25(5−3cosθ)2.
Since 5−3cosθ>0,
PF=5−3cosθ.
Therefore
PFQF=5−3cosθ53(5−3cosθ)=53=e.
Hence
PFQF=e.