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21数列★★★★★
在直角坐标平面 xOyxOy 上的一列点 A1(1,a1)A_1(1,a_1),A2(2,a2)A_2(2,a_2),⋯\cdots,An(n,an)A_n(n,a_n),⋯\cdots,简记为 {An}\{A_n\}. 若由 bn=AnAn+1→⋅jb_n=\overrightarrow{A_nA_{n+1}}\cdot\boldsymbol{j} 构成的数列 {bn}\{b_n\} 满足 bn+1>bnb_{n+1}>b_n,n=1n=1,22,33,⋯\cdots,其中 j\boldsymbol{j} 为方向与 yy 轴正方向相同的单位向量,则称 {An}\{A_n\} 为 TT 点列.
(1) 判断 A1(1,1)A_1(1,1),A2(2,12)A_2\left(2,\frac{1}{2}\right),A3(3,13)A_3\left(3,\frac{1}{3}\right),⋯\cdots,An(n,1n)A_n\left(n,\frac{1}{n}\right),⋯\cdots,是否为 TT 点列,并说明理由; (2) 若 {An}\{A_n\} 为 TT 点列,且点 A2A_2 在点 A1A_1 的右上方. 任取其中连续三点 AkA_k,Ak+1A_{k+1},Ak+2A_{k+2},判断 △AkAk+1Ak+2\triangle A_kA_{k+1}A_{k+2} 的形状(锐角三角形,直角三角形,钝角三角形),并予以证明; (3) 若 {An}\{A_n\} 为 TT 点列,正整数 1⩽m<n<p<q1\leqslant m<n<p<q 满足 m+q=n+pm+q=n+p,求证:AnAq→⋅j>AmAp→⋅j\overrightarrow{A_nA_q}\cdot\boldsymbol{j}>\overrightarrow{A_mA_p}\cdot\boldsymbol{j}.

2008 · 上海 · 春季 · 第 21 题 · 解答题

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21解析几何★★★★★
已知常数 a>0a > 0,向量 c=(0,a)\boldsymbol{c} = (0, a), i=(1,0)\boldsymbol{i} = (1, 0),经过原点 OO 以 c+λi\boldsymbol{c} + \lambda \boldsymbol{i} 为方向向量的直线与经过定点 A(0,a)A(0, a) 以 i−2λc\boldsymbol{i} - 2\lambda \boldsymbol{c} 为方向向量的直线相交于点 PP,其中 λ∈R\lambda \in \mathbf{R}. 试问:是否存在两个定点 EE,FF,使得 ∣PE∣+∣PF∣|PE| + |PF| 为定值. 若存在,求出 EE,FF 的坐标;若不存在,说明理由.
\begin{solution} 设交点 PP 的坐标为 (x,y)(x,y). 两条直线的方向向量分别为 (λ,a)(\lambda,a) 和 (1,−2λa)(1,-2\lambda a),所以它们的方程分别为 λy=ax\lambda y=ax 和 y−a=−2λaxy-a=-2\lambda ax. 将第一式乘以 yy,再利用第二式消去 λ\lambda,得
y(y−a)=−2a2x2y(y-a)=-2a^{2}x^{2}
即
2a2x2+(y−a2)2=a242a^{2}x^{2}+\left(y-\frac{a}{2}\right)^{2}=\frac{a^{2}}{4}
由于 a>0a>0,点 PP 在椭圆
x218+(y−a2)2(a2)2=1\frac{x^{2}}{\frac{1}{8}}+\frac{\left(y-\frac{a}{2}\right)^{2}}{\left(\frac{a}{2}\right)^{2}}=1
上. 令 P=s(λ,a)=(sλ,sa)P=s(\lambda,a)=(s\lambda,sa),同时由第二条直线可写成 P=(t,a−2λat)P=(t,a-2\lambda at). 比较坐标得 t=sλt=s\lambda 以及 sa=a−2λa(sλ)sa=a-2\lambda a(s\lambda),从而 s=11+2λ2s=\frac{1}{1+2\lambda^{2}},即
P=(λ1+2λ2,a1+2λ2)P=\left(\frac{\lambda}{1+2\lambda^{2}},\frac{a}{1+2\lambda^{2}}\right)
所以 y>0y>0. 反之,对上述椭圆上任意满足 y>0y>0 的点 (x,y)(x,y),由椭圆方程可得 2a2x2=y(a−y)2a^{2}x^{2}=y(a-y). 取 λ=axy\lambda=\frac{ax}{y},则 1+2λ2=ay1+2\lambda^{2}=\frac{a}{y},从而
(λ1+2λ2,a1+2λ2)=(axyay,aay)=(x,y)\left(\frac{\lambda}{1+2\lambda^{2}},\frac{a}{1+2\lambda^{2}}\right)=\left(\frac{a\frac{x}{y}}{\frac{a}{y}},\frac{a}{\frac{a}{y}}\right)=(x,y)
因此,当 λ\lambda 取遍 R\mathbf{R} 时,实际轨迹是上述椭圆去掉下端点 (0,0)(0,0);原点只是 ∣λ∣→+∞\lvert\lambda\rvert\to+\infty 时的极限点.
当 0<a<220<a<\frac{\sqrt{2}}{2} 时,横半轴 122\frac{1}{2\sqrt{2}} 是长半轴,焦半距为
18−a24=1212−a2\sqrt{\frac{1}{8}-\frac{a^{2}}{4}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}-a^{2}}
取两个焦点 E(1212−a2,a2)E\left(\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}-a^{2}},\frac{a}{2}\right),F(−1212−a2,a2)F\left(-\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}-a^{2}},\frac{a}{2}\right). 椭圆上任一点到两个焦点的距离和为横轴长 12\frac{1}{\sqrt{2}},所以存在这样的两个定点.
当 a>22a>\frac{\sqrt{2}}{2} 时,纵半轴 a2\frac{a}{2} 是长半轴,焦半距为
a24−18=12a2−12\sqrt{\frac{a^{2}}{4}-\frac{1}{8}}=\frac{1}{2}\sqrt{a^{2}-\frac{1}{2}}
取两个焦点 E(0,a+a2−122)E\left(0,\frac{a+\sqrt{a^{2}-\frac{1}{2}}}{2}\right),F(0,a−a2−122)F\left(0,\frac{a-\sqrt{a^{2}-\frac{1}{2}}}{2}\right). 此时距离和为纵轴长 aa,所以也存在这样的两个定点.
当 a=22a=\frac{\sqrt{2}}{2} 时,椭圆变为圆,实际轨迹是该圆去掉下端点 (0,0)(0,0),因而包含一个非退化圆弧. 若存在两个不同定点 EE,FF 使距离和在这段圆弧上恒定,则以 EE,FF 为焦点的非退化椭圆包含一段圆弧,这不可能,因为非退化椭圆不能与圆重合;只有两个焦点重合时,定和曲线才可能是圆. 因而圆情形不存在满足题意的两个不同定点. \end{solution}

2003 · 河南 · 第 21 题 · 解答题

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