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17计数原理与组合数学★★★☆☆
(1) 求 (2+x2)8\left(2+x^2\right)^8 的展开式中 x10x^{10} 的系数. (2) 从六个数字 11,22,33,55,77,99 中任取四个不同的数字,有多少种取法?由这六个数字可以组成多少个没有重复数字的四位偶数? (3) 在一列球中,第 11 个球的半径为 11,第 22 个球的直径是第 11 个球的半径,以后每一个球的直径都是前一个球的半径,这样无限继续下去,求所有这些球的表面积的和.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 二项式展开的通项中,从 88 个因子中选出 kk 个取 x2x^2,其余因子取 22,所得项为 C8k28−kx2k\mathrm C_8^k2^{8-k}x^{2k}. 要得到 x10x^{10},必须满足 2k=102k=10,所以 k=5k=5. 因此所求系数为 C8528−5=56×8=448\mathrm C_8^5 2^{8-5}=56\times8=448. \item 任取四个不同数字时只需从六个数字中选出四个,取法数为 C64=6×5×4×34×3×2×1=15\mathrm C_6^4=\dfrac{6\times5\times4\times3}{4\times3\times2\times1}=15. 组成四位偶数时,个位必须是偶数;给出的六个数字中只有 22 是偶数,所以个位固定为 22. 千位、百位、十位从其余五个数字中选出三个并按顺序排列,方法数为 A53=5×4×3=60\mathrm A_5^3=5\times4\times3=60. 因此两问的答案分别为 1515 种和 6060 个. \item 记第 nn 个球的半径为 rnr_n. 由题意 r1=1r_1=1,且对 n⩾2n\geqslant2,第 nn 个球的直径为前一个球的半径,所以 2rn=rn−12r_n=r_{n-1},即 rn=12n−1r_n=\dfrac{1}{2^{n-1}}. 第 nn 个球的表面积为 Sn=4πrn2=4π(14)n−1S_n=4\pi r_n^2=4\pi\left(\dfrac14\right)^{n-1}. 因此所有球的表面积构成首项为 4π4\pi、公比为 14\dfrac14 的无穷等比数列,且公比的绝对值小于 11,故其和为 S=4π1−14=16π3S=\dfrac{4\pi}{1-\frac14}=\dfrac{16\pi}{3}. \end{enumerate} \end{solution}

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19三角函数★★★☆☆
(1) 证明万能公式:sin⁡α=2tan⁡α21+tan⁡2α2\sin\alpha=\frac{2\tan\frac{\alpha}{2}}{1+\tan^2\frac{\alpha}{2}}. (2) 已知:cos⁡α=−13\cos\alpha=-\frac{1}{3},π<α<3π2\pi<\alpha<\frac{3\pi}{2},求:cos⁡(α2+5π6)\cos\left(\frac{\alpha}{2}+\frac{5\pi}{6}\right).
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 tan⁡α2\tan\dfrac{\alpha}{2} 有意义时,即 α≠(2m+1)π\alpha\neq(2m+1)\pi(m∈Zm\in\mathbf{Z}),有 cos⁡α2≠0\cos\dfrac{\alpha}{2}\neq0. 由正弦二倍角公式并将分子、分母同除以 cos⁡2α2\cos^2\dfrac{\alpha}{2},得
sin⁡α=2sin⁡α2cos⁡α2cos⁡2α2=2tan⁡α2sec⁡2α2=2tan⁡α21+tan⁡2α2\sin\alpha=\frac{2\sin\frac{\alpha}{2}\cos\frac{\alpha}{2}}{\cos^2\frac{\alpha}{2}}=\frac{2\tan\frac{\alpha}{2}}{\sec^2\frac{\alpha}{2}}=\frac{2\tan\frac{\alpha}{2}}{1+\tan^2\frac{\alpha}{2}}
所以公式得证. \item 由 π<α<3π2\pi<\alpha<\dfrac{3\pi}{2},两边同除以 22,得 π2<α2<3π4\dfrac{\pi}{2}<\dfrac{\alpha}{2}<\dfrac{3\pi}{4},所以 α2\dfrac{\alpha}{2} 位于第二象限,正弦为正、余弦为负. 由半角公式, cos⁡α2=−1+cos⁡α2=−1−132=−13\cos\dfrac{\alpha}{2}=-\sqrt{\dfrac{1+\cos\alpha}{2}}=-\sqrt{\dfrac{1-\frac13}{2}}=-\dfrac{1}{\sqrt3}, sin⁡α2=1−cos⁡α2=1+132=23\sin\dfrac{\alpha}{2}=\sqrt{\dfrac{1-\cos\alpha}{2}}=\sqrt{\dfrac{1+\frac13}{2}}=\sqrt{\dfrac23}. 又因为 cos⁡5π6=−32\cos\dfrac{5\pi}{6}=-\dfrac{\sqrt3}{2},sin⁡5π6=12\sin\dfrac{5\pi}{6}=\dfrac12,由两角和公式得
cos⁡(α2+5π6)=(−13)(−32)−23⋅12=12−66=3−66\cos\left(\frac{\alpha}{2}+\frac{5\pi}{6}\right)=\left(-\frac{1}{\sqrt3}\right)\left(-\frac{\sqrt3}{2}\right)-\sqrt{\frac23}\cdot\frac12=\frac12-\frac{\sqrt6}{6}=\frac{3-\sqrt6}{6}
\end{enumerate} \end{solution}

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21解析几何★★★★☆
如图,由抛物线 y=x2+2y=x^2+2 上的点 M(x0,y0)M(x_0,y_0) 向直线 y=12xy=\frac{1}{2}x 作垂线,垂足为 NN,延长 MNMN 至 PP 点,使点 NN 分线段 MPMP 成定比 λ=MNNP=4\lambda=\frac{MN}{NP}=4.
(1) 用 x0x_0,y0y_0 表示点 NN 的坐标 (x1,y1)(x_1, y_1); (2) 用 x0x_0,y0y_0 和 x1x_1,y1y_1 表示点 PP 的坐标 (x,y)(x, y); (3) 求:当点 MM 沿抛物线移动时,点 PP 的轨迹方程,并道明轨迹是什么图形.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 直线 y=12xy=\dfrac12x 上的点可设为 N=(2t,t)N=(2t,t). 该直线的方向向量为 (2,1)(2,1),而 MNMN 垂直于该直线,所以 (x0−2t,y0−t)⋅(2,1)=0\bigl(x_0-2t,y_0-t\bigr)\cdot(2,1)=0. 展开得 2x0+y0−5t=02x_0+y_0-5t=0,从而 t=2x0+y05t=\dfrac{2x_0+y_0}{5}. 因此 x1=2t=4x0+2y05x_1=2t=\dfrac{4x_0+2y_0}{5},y1=t=2x0+y05y_1=t=\dfrac{2x_0+y_0}{5}. \item 因为 MM,NN,PP 依次在同一直线上,且 MN:NP=4:1MN:NP=4:1,所以内分点公式给出 N=M+4P5N=\dfrac{M+4P}{5}. 解得 P=5N−M4P=\dfrac{5N-M}{4},即 x=5x1−x04x=\dfrac{5x_1-x_0}{4},y=5y1−y04y=\dfrac{5y_1-y_0}{4}. \item 将第(1)问的结果代入第(2)问,得 x=3x0+2y04x=\dfrac{3x_0+2y_0}{4},y=x02y=\dfrac{x_0}{2}. 又因为 MM 在抛物线上,所以 y0=x02+2y_0=x_0^2+2. 于是 x=2x02+3x0+44x=\dfrac{2x_0^2+3x_0+4}{4},并由 x0=2yx_0=2y 消去参数,得到
x=2y2+32y+1=2(y+38)2+2332x=2y^2+\frac32y+1=2\left(y+\frac38\right)^2+\frac{23}{32}
由于 x0x_0 可以取任意实数,y=x02y=\dfrac{x_0}{2} 也可以取任意实数,所以轨迹是完整的抛物线 x=2(y+38)2+2332x=2\left(y+\dfrac38\right)^2+\dfrac{23}{32}. 它的顶点为 (2332,−38)\left(\dfrac{23}{32},-\dfrac38\right),对称轴为 y=−38y=-\dfrac38,开口方向为 xx 轴正向. \end{enumerate} \end{solution}

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