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本页 25 题去组卷
15平面向量★★★★★
已知两个不相等的非零向量 a\boldsymbol{a},b\boldsymbol{b},两组向量 x1\boldsymbol{x}_{1},x2\boldsymbol{x}_{2},x3\boldsymbol{x}_{3},x4\boldsymbol{x}_{4},x5\boldsymbol{x}_{5} 和 y1\boldsymbol{y}_{1},y2\boldsymbol{y}_{2},y3\boldsymbol{y}_{3},y4\boldsymbol{y}_{4},y5\boldsymbol{y}_{5} 均由 2 个 a\boldsymbol{a} 和 3 个 b\boldsymbol{b} 排列而成,记 S=x1⋅y1+x2⋅y2+x3⋅y3+x4⋅y4+x5⋅y5S = \boldsymbol{x}_{1} \cdot \boldsymbol{y}_{1} + \boldsymbol{x}_{2} \cdot \boldsymbol{y}_{2} + \boldsymbol{x}_{3} \cdot \boldsymbol{y}_{3} + \boldsymbol{x}_{4} \cdot \boldsymbol{y}_{4} + \boldsymbol{x}_{5} \cdot \boldsymbol{y}_{5}. Smin⁡S_{\min} 表示 SS 所有可能取值中的最小值. 则下列命题正确的是______. (写出所有正确命题的编号)
① SS 有 5 个不同的值; ② 若 a⊥b\boldsymbol{a} \perp \boldsymbol{b},则 Smin⁡S_{\min} 与 ∣a∣|\boldsymbol{a}| 无关; ③ 若 a∥b\boldsymbol{a} \parallel \boldsymbol{b},则 Smin⁡S_{\min} 与 ∣b∣|\boldsymbol{b}| 无关; ④ 若 ∣b∣>4∣a∣|\boldsymbol{b}| > 4|\boldsymbol{a}|,则 Smin⁡>0S_{\min} > 0; ⑤ 若 ∣b∣=2∣a∣|\boldsymbol{b}| = 2|\boldsymbol{a}|,Smin⁡=8∣a∣2S_{\min} = 8|\boldsymbol{a}|^2,则 a\boldsymbol{a} 与 b\boldsymbol{b} 的夹角为 π4\frac{\pi}{4}.
\begin{solution} 把每个向量的五个分量看作五个位置. 设 MM 是所有五对 (xi,yi)(\boldsymbol{x}_i,\boldsymbol{y}_i) 中两个对应分量同时为 a\boldsymbol{a} 的位置总数. 因为五个 xi\boldsymbol{x}_i 中共有 1010 个 a\boldsymbol{a} 分量,所以在 xi\boldsymbol{x}_i 中为 a\boldsymbol{a}、而在 yi\boldsymbol{y}_i 中为 b\boldsymbol{b} 的位置共有 10−M10-M 个;同理,在 xi\boldsymbol{x}_i 中为 b\boldsymbol{b}、而在 yi\boldsymbol{y}_i 中为 a\boldsymbol{a} 的位置也有 10−M10-M 个. 再由五对向量共有 2525 个对应位置,两个分量均为 b\boldsymbol{b} 的位置数为 5+M5+M.
因此 S=M∣a∣2+2(10−M)a⋅b+(5+M)∣b∣2=5∣b∣2+20a⋅b+M∣a−b∣2S=M\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2}+2(10-M)\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}+(5+M)\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}+20\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}+M\lvert\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\rvert^{2}. 因 a≠b\boldsymbol{a}\neq\boldsymbol{b},有 ∣a−b∣2>0\lvert\boldsymbol{a}-\boldsymbol{b}\rvert^{2}>0. 每一对向量中两个 a\boldsymbol{a} 的位置交集可有 00,11,22 个;五对向量的排列彼此独立,因此取若干对使交集分别为 22,至多再取一对使交集为 11,其余取 00,即可使总数 MM 取得 00 到 1010 的每一个整数. 因而 SS 实际有 1111 个不同的值,命题 \circled1\circled{1} 错误,且 Smin⁡=5∣b∣2+20a⋅bS_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}+20\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}.
若 a⊥b\boldsymbol{a}\perp\boldsymbol{b},则 Smin⁡=5∣b∣2S_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2},与 ∣a∣\lvert\boldsymbol{a}\rvert 无关,命题 \circled2\circled{2} 正确. 若 a∥b\boldsymbol{a}\parallel\boldsymbol{b},则 a⋅b=±∣a∣∣b∣\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=\pm\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert,所得 Smin⁡=5∣b∣2±20∣a∣∣b∣S_{\min}=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}\pm20\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert 仍与 ∣b∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert 有关,命题 \circled3\circled{3} 错误. 若 ∣b∣>4∣a∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert>4\lvert\boldsymbol{a}\rvert,由柯西不等式得 Smin⁡⩾5∣b∣2−20∣a∣∣b∣=5∣b∣(∣b∣−4∣a∣)>0S_{\min}\geqslant5\lvert\boldsymbol{b}\rvert^{2}-20\lvert\boldsymbol{a}\rvert\lvert\boldsymbol{b}\rvert=5\lvert\boldsymbol{b}\rvert(\lvert\boldsymbol{b}\rvert-4\lvert\boldsymbol{a}\rvert)>0,命题 \circled4\circled{4} 正确. 若 ∣b∣=2∣a∣\lvert\boldsymbol{b}\rvert=2\lvert\boldsymbol{a}\rvert 且 Smin⁡=8∣a∣2S_{\min}=8\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2},则 a⋅b=−35∣a∣2\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=-\dfrac35\lvert\boldsymbol{a}\rvert^{2},从而夹角余弦为 −310-\dfrac{3}{10},不等于 cos⁡π4\cos\dfrac{\pi}{4},命题 \circled5\circled{5} 错误. 所以正确命题的编号为 \circled2\circled{2}\circled4\circled{4},故填 \circled2\circled4\circled{2}\circled{4}. \end{solution}

2014 · 安徽 · 理 · 第 15 题 · 填空题

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15解析几何★★★★★
设圆 CC 位于抛物线 y2=2xy^{2} = 2x 与直线 x=3x = 3 所围成的封闭区域(包含边界)内,则圆 CC 的半径能取到的最大值为______. \begin{answer} 6−1\sqrt{6} - 1 \end{answer}
\begin{solution} 记封闭区域为 Ω={(x,y):y2⩽2x, x⩽3}\Omega=\{(x,y):y^2\leqslant2x,\ x\leqslant3\}. 该区域关于 xx 轴对称且为凸集,因此若半径为 rr 的圆面位于其中,关于 xx 轴反射后再取两个圆心的中点,仍可得到位于区域内的同半径圆面. 故不妨设圆心为 (h,0)(h,0).
由直线 x=3x=3 的限制,得 h+r⩽3h+r\leqslant3. 对圆周上的点写成 x=h+rux=h+ru,y=rvy=rv,其中 u2+v2=1u^2+v^2=1. 要使圆面位于抛物线 y2=2xy^2=2x 的右侧,需要对所有 −1⩽u⩽1-1\leqslant u\leqslant1 有 h+ru⩾r2v22=r2(1−u2)2h+ru\geqslant\frac{r^2v^2}{2}=\frac{r^2(1-u^2)}{2},即 h⩾r22(1−u2)−ruh\geqslant\frac{r^2}{2}(1-u^2)-ru. 当 r⩾1r\geqslant1 时,右端关于 uu 的最大值在 u=−1ru=-\frac{1}{r} 处取得,最大值为 r2+12\frac{r^2+1}{2}. 半径小于 11 时不可能达到下面构造的半径 6−1>1\sqrt{6}-1>1,所以求最大值时可取 r⩾1r\geqslant1. 于是 r2+12⩽h⩽3−r\frac{r^2+1}{2}\leqslant h\leqslant3-r,从而 r2+2r−5⩽0r^2+2r-5\leqslant0,故 r⩽6−1r\leqslant\sqrt{6}-1.
取 r=6−1r=\sqrt{6}-1,h=3−r=4−6h=3-r=4-\sqrt{6}. 此时 r2+12=4−6=h\frac{r^2+1}{2}=4-\sqrt{6}=h,上述两个边界条件同时满足,所得圆面确实位于 Ω\Omega 内. 因此半径能取到的最大值为 6−1\sqrt{6}-1. \end{solution}

2011 · 重庆 · 理 · 第 15 题 · 填空题

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