每日一题[4024]椭圆的光学性质

己知椭圆 $C: \dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1 $($a>b>0$)的左,右焦点分别为 $F_1, F_2$,点 $A$ 是 $C$ 上的一点($A$ 在第一象限)且 $\angle F_1 A F_2=90^{\circ}$,$\angle F_1 A F_2$ 的角平分线 $l$ 与 $C$ 的另一个交点为点 $B$,$l$ 与 $y$ 轴交于点 $D$,若 $|A B|=2 |B D|$,则 $C$ 的离心率为_____.

答案    $\dfrac{\sqrt 3}2$.

解析    设 $A(x_0,y_0)$($x_0,y_0>0$),则由 $\angle F_1AF_2=90^\circ$ 可得点 $A$ 在圆 $x^2+y^2=a^2-b^2$ 上,从而\[x_0^2+y_0^2=c^2,\quad \dfrac{x_0^2}{a^2}+\dfrac{y_0^2}{b^2}=1,\]解得\[\dfrac{x_0^2}{a^2}=\dfrac{a^2-2b^2}{a^2-b^2},\quad \dfrac{y_0^2}{b^2}=\dfrac{b^2}{a^2-b^2}.\]根据椭圆的光学性质,$\angle F_1AF_2$ 的角平分线 $l$ 为椭圆在 $A$ 处切线 $\dfrac{x_0x}{a^2}+\dfrac{y_0y}{b^2}=1$ 的垂线,于是\[l:\dfrac{y_0x}{b^2}-\dfrac{x_0y}{a^2}=\dfrac{x_0y_0c^2}{a^2b^2},\]若 $D$ 在线段 $AB$ 上,则 $D$ 为 $AB$ 中点,根据椭圆的对称性 $A,B$ 关于原点对称,矛盾.若 $D$ 在线段 $AB$ 的延长线上,则 $B$ 点的横坐标为 $\dfrac{x_0}3$,代入直线 $l$ 的方程可得其纵坐标为 $y_0\left(1-\dfrac{2a^2}{3b^2}\right)$,因此\[\dfrac{x_0^2}{9a^2}+\dfrac{y_0^2}{b^2}\left(1-\dfrac{2a^2}{3b^2}\right)^2=1,\]于是\[\dfrac{a^2-2b^2}{9(a^2-b^2)}+\dfrac{b^2}{a^2-b^2}\left(1-\dfrac{2a^2}{3b^2}\right)^2=1,\]即\[\dfrac{a^2}{b^2}-2+\left(3-\dfrac{2a^2}{b^2}\right)^2=9\left(\dfrac{a^2}{b^2}-1\right),\]也即\[\left(\dfrac{a^2}{b^2}\right)^2-5\cdot \dfrac{a^2}{b^2}+4=0,\]解得 $\dfrac{a^2}{b^2}=4$,因此 $C$ 的离心率为 $\dfrac{\sqrt 3}2$.

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