(本小题满分14分)
一种画椭圆的工具如图1所示,是滑槽的中点,短杆可绕移动,长杆通过处铰链与连接,上栓子可沿滑槽滑动,且,。当栓子在滑槽内作往复运动时,带动绕转动,处的笔尖画出的椭圆记为,以为原点,所在的直线为轴建立如图2所示的平面直角坐标系。
(Ⅰ)求椭圆的方程;
(Ⅱ)设动直线与两定直线:和分别相交于、两点,若直线总与椭圆有且只有一个公共点,试探究:的面积是否存在最小值?若存在,求出该最小值;若不存在,说明理由。
(I)因为,当,在轴上时,等号成立;同理,当,重合,即轴时,等号成立。所以椭圆的中心为原点,长半轴长为,短半轴长为,其方程为。
(II)(1)当直线的斜率不存在时,直线为或,都有。
(2)当直线的斜率存在时,设直线:(),
由消去,可得。
因为直线总与椭圆有且只有一个公共点,
所以,即。①
又由可得;同理可得。
由原点到直线的距离为和,可得
。②
将①代入②得,。
当时,;
当时,。
因,则,,所以,
当且仅当时取等号。
所以当时,的最小值为。
综合(1)(2)可知,当直线与椭圆在四个顶点处相切时,的面积取得最小值。
本题主要考查直线与椭圆方程。
(1)由,,得到等号成立条件,进而求出椭圆的中心、长半轴长与短半轴长,即可得到椭圆的方程。
(2)分别讨论直线的斜率不存在与存在的情况;设出直线的方程,与曲线的方程联立,由题意可得,得到与的关系式①;将直线的方程分别与另两条直线方程联立,求出、两点的坐标,得到的关于与的表达式②;结合①②得到的关于的表达式,由的取值范围求得的最小值。