每日一题[1525]调和线束

已知椭圆 $C:\dfrac{x^2}{4}+y^2=1$.过点 $D(1,0)$ 且不经过点 $M(1,1)$ 的直线与椭圆交于 $P,Q$ 两点,直线 $MQ$ 与直线 $x=4$ 交于 $E$ 点,直线 $PE$ 与直线 $MD$ 交于 $N$ 点.求证:$\triangle EMN$ 的面积为定值.

解法一       若 $\triangle EMN$ 的面积为定值,则点 $N$ 为定点,根据对称性可得 $N$ 只可能为 $(1,-1)$,考虑用同一法证明.设 $N_1(1,-1)$,直线 $PQ$ 的方程为 $PQ:x=my+1$,$P(x_1,y_1)$,$Q(x_2,y_2)$,直线 $MQ$ 与直线 $N_1P$ 交于点 $E_1(x_3,y_3)$.联立直线 $PQ$ 与椭圆方程,得 \[\left(m^2+4\right)y^2+2my-3=0.\] 因为 \[\begin{split} MQ&:y-1=\dfrac{y_2-1}{x_2-1}(x-1),\\ N_1P&:y+1=\dfrac{y_1+1}{x_1-1}(x-1), \end{split}\] 所以\[\dfrac{y_2-1}{x_2-1}(x_3-1)+1=y_3=\dfrac{y_1+1}{x_1-1}(x_3-1)-1,\] 故 \[\begin{split} 2 &=\left(\dfrac{y_1+1}{x_1-1}-\dfrac{y_2-1}{x_2-1}\right)(x_3-1)\\ &=\left(\dfrac{y_1+1}{my_1}-\dfrac{y_2-1}{my_2}\right)(x_3-1)\\ &=\dfrac{y_1+y_2}{my_1y_2}(x_3-1)\\ &=\dfrac{2}{3}(x_3-1), \end{split}\] 从而 $x_3=4$.由此可知,点 $E_1,E$ 重合,点 $N_1,N$ 重合,进而有 $\triangle EMN$ 的面积为定值 $3$.

解法二       延长 $PQ$ 交直线 $x=4$ 于点 $R$.设射影直线 $MD$ 上的无穷远点为 $G_{\infty}$. 由于 $D$ 点关于椭圆 $C$ 的极线为直线 $x=4$,因此 \[(Q,P,D,R)=(EQ,EP,ED,ER)=(MNDG_{\infty})=-1,\] 从而 $D$ 点平分线段 $MN$,所以 $|MN|$ 为定值 $2$,进而 $\triangle EMN$ 的面积为定值 $3$.

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