已知椭圆E:x2a2+y2b2=1(a>b>0)所在平面内有一个不与原点重合的点P(x0,y0),过P作E的任意两条割线AB,CD,其中A,B,C,D均在椭圆E上.证明:直线AC和BD的交点在定直线上.

分析与解 如图,设直线AC与BD的交点为Q,直线AD与BC的交点为R,则直线RQ即题中的定直线.
法一 几何方法
如图,设直线AB,CD分别与直线RQ相交于S,T,则利用完全四边形ABCD可得四点S,R,T,Q为共线的调和点列.下面证明直线SRTQ由P点位置确定,与直线AB和CD的作法无关.
在A,B处作切线,两条切线交于M;在C,D处作切线,两条切线交于N.根据帕斯卡(Pascal)定理,M,N均在直线ST上,即S,R,T,Q,M,N六点共线.但从图中可以看出,S,M两点只和直线AB有关,与直线CD完全无关,所以我们将直线AB换成任意的另一条直线A′B′,只要A′B′通过点P,则形成的S,Q,T,Q四点仍与M,N共线.类似的,可以证明直线SRTQ的位置与直线AB完全无关,而只取决于P点位置,因此原命题得证.
注 帕斯卡(Pascal)定理:如果一个四边形内接于某圆锥曲线,则四边形的两组对边的两个交点与两组对顶点的切线的两个交点四点共线.
法二 混合方法
首先给出引理.
引理 过点P的直线l与椭圆交于S,T两点,X为直线ST上的点,那么P,X调和分割S,T,即“|SX||XT|=|SP||PT|
”与“点X在直线x0xa2+y0yb2=1上”等价.
该引理利用直线的参数方程或定比点差法容易证明,此处从略.
根据引理,我们只需要证明调和分割A,B的点以及调和分割C,D的点在直线RQ上即可(完全四边形的性质).设AB,CD与直线RQ的交点分别为S,T.事实上,对△CDQ和截线APB应用梅涅劳斯定理,有|DB||BQ|⋅|QA||AC|⋅|CP||PD|=1,
对于
△CDQ和点
R应用塞瓦定理,有
|DB||BQ|⋅|QA||AC|⋅|CT||TD|=1,
于是
|CP||PD|=|CT||TD|,因此
P,T调和分割
C,D.类似的,有
P,S调和分割
A,B.因此原命题得证.
法三 解析方法
设AB与CD,AC与BD的交点分别为P(x0,y0),Q(x1,y1),只需要证明x0x1a2+y0y1b2=1即可.设A(acosα,bsinα),B(acosβ,bsinβ),C(acosγ,bsinγ),D(acosδ,bsinδ),则AB:xa⋅cosα+β2+yb⋅sinα+β2=cosα−β2,CD:xa⋅cosγ+δ2+yb⋅sinγ+δ2=cosγ−δ2,
于是直线
AB与
CD的交点坐标为
(a⋅cosα−β2sinγ+δ2−sinα+β2cosγ−δ2cosα+β2sinγ+δ2−sinα+β2cosγ+δ2,b⋅cosα−β2cosγ+δ2−cosα+β2cosγ−δ2sinα+β2cosγ+δ2−cosα+β2sinγ+δ2)
即
(a⋅sinα+β2cosγ−δ2−cosα−β2sinγ+δ2sinα+β−γ−δ2,b⋅cosα−β2cosγ+δ2−cosα+β2cosγ−δ2sinα+β−γ−δ2),
交换
γ和
β就可以得到
AC与
BD的交点坐标,为
(a⋅sinα+γ2cosβ−δ2−cosα−γ2sinβ+δ2sinα+γ−β−δ2,b⋅cosα−γ2cosβ+δ2−cosα+γ2cosβ−δ2sinα+γ−β−δ2).
于是我们只需证明
(sinα+β2cosγ−δ2−cosα−β2sinγ+δ2)⋅(sinα+γ2cosβ−δ2−cosα−γ2sinβ+δ2)+(cosα−β2cosγ+δ2−cosα+β2cosγ−δ2)⋅(cosα−γ2cosβ+δ2−cosα+γ2cosβ−δ2)=sinα+β−γ−δ2⋅sinα+γ−β−δ2.
事实上,有
LHS=cosγ−δ2cosβ−δ2(sinα+β2sinα+γ2+cosα+β2cosα+γ2)+cosγ−δ2cosα−γ2(−sinα+β2sinβ+δ2−cosα+β2cosβ+δ2)+cosα−β2cosβ−δ2(−sinγ+δ2sinα+γ2−cosγ+δ2cosα+γ2)+cosα−β2cosα−γ2(sinγ+δ2sinβ+δ2+cosγ+δ2cosβ+δ2)=cosγ−δ2cosβ−δ2cosβ−γ2−cosγ−δ2cosα−γ2cosα−δ2−cosα−β2cosβ−δ2cosα−δ2+cosα−β2cosα−γ2cosβ−γ2=cosγ−δ2cos(α−β2+δ−α2)cosβ−γ2−cosγ−δ2cos(α−β2+β−γ2)cosδ−α2−cosα−β2cos(β−γ2+γ−δ2)cosδ−α2+cosα−β2cos(γ−δ2+δ−α2)cosβ−γ2=sinα−β2sinβ−γ2cosγ−δ2cosδ−α2−sinα−β2cosβ−γ2cosγ−δ2sinδ−α2+cosα−β2sinβ−γ2sinγ−δ2cosδ−α2−cosα−β2cosβ−γ2sinγ−δ2sinδ−α2=sinα−β2cosγ−δ2(sinβ−γ2cosδ−α2−cosβ−γ2sinδ−α2)+cosα−β2sinγ−δ2(sinβ−γ2cosδ−α2−cosβ−γ2sinδ−α2)=sinα−β2cosγ−δ2sinα+β−γ−δ2+cosα−β2sinγ−δ2sinα+β−γ−δ2=sinα−β+γ−δ2sinα+β−γ−δ2=RHS,
因此原命题得证.
能不能用前面介绍的仿射变换处理?