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19立体几何初步★★★☆☆
在三棱锥 S−ABCS-ABC 中,如图,∠SAB=∠SAC=∠ACB=90∘\angle SAB=\angle SAC=\angle ACB=90^{\circ},AC=2AC=2,BC=13BC=\sqrt{13},SB=29SB=\sqrt{29}.
(1) 证明:SC⊥BCSC\perp BC; (2) 求侧面 SBCSBC 与底面 ABCABC 所成的二面角大小; (3) 求异面直线 SCSC 与 ABAB 所成的角的大小(用反三角函数表示).
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由 ∠SAB=∠SAC=90∘\angle SAB=\angle SAC=90^{\circ},且直线 ABAB,ACAC 在平面 ABCABC 内相交于 AA,可知 SA⊥平面 ABCSA\perp\text{平面 }ABC. 取直角坐标系,使 A=(0,0,0)A=(0,0,0),C=(2,0,0)C=(2,0,0),B=(2,13,0)B=(2,\sqrt{13},0),则由 SB=29SB=\sqrt{29} 得 S=(0,0,h)S=(0,0,h),且 4+13+h2=294+13+h^{2}=29,所以 h=23h=2\sqrt{3}. 因此 SC→=(2,0,−23)\overrightarrow{SC}=(2,0,-2\sqrt{3}),BC→=(0,−13,0)\overrightarrow{BC}=(0,-\sqrt{13},0),从而 SC→⋅BC→=0\overrightarrow{SC}\cdot\overrightarrow{BC}=0,故 SC⊥BCSC\perp BC. \item 由第(1)问,直线 SCSC 垂直于棱 BCBC,而直线 ACAC 也垂直于 BCBC,所以侧面 SBCSBC 与底面 ABCABC 所成的二面角等于 ∠ACS\angle ACS. 又 CA→=(−2,0,0)\overrightarrow{CA}=(-2,0,0),CS→=(−2,0,23)\overrightarrow{CS}=(-2,0,2\sqrt{3}),故 ∣CA∣=2\lvert CA\rvert=2,∣CS∣=4\lvert CS\rvert=4,且 CA→⋅CS→=4\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CS}=4. 因而 cos⁡∠ACS=42×4=12\cos\angle ACS=\dfrac{4}{2\times4}=\dfrac12,所以二面角大小为 π3\dfrac{\pi}{3}. \item 直线 SCSC 与 ABAB 的方向向量可分别取 CS→=(−2,0,23)\overrightarrow{CS}=(-2,0,2\sqrt{3}) 和 AB→=(2,13,0)\overrightarrow{AB}=(2,\sqrt{13},0). 两向量的数量积为 −4-4,长度分别为 44 和 17\sqrt{17}. 设异面直线所成的锐角为 φ\varphi,则 cos⁡φ=∣−4∣417=117\cos\varphi=\dfrac{\lvert-4\rvert}{4\sqrt{17}}=\dfrac{1}{\sqrt{17}},所以 φ=arccos⁡117=arctan⁡4\varphi=\arccos\dfrac{1}{\sqrt{17}}=\arctan4. \end{enumerate} \end{solution}

2002 · 京蒙皖 · 春季 · 理 · 第 19 题 · 解答题

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20不等式★★★☆☆
假设 AA 型进口车关税税率在 2001 年2001\text{ 年}是 100%100\%,在 2006 年2006\text{ 年}是 25%25\%,2001 年2001\text{ 年} AA 型进口车每辆价格为 64 万元64\text{ 万元}(其中含 32 万元32\text{ 万元}关税税款).
(1) 已知与 AA 型车性能相近的 BB 型国产车,2001 年2001\text{ 年}每辆价格为 46 万元46\text{ 万元},若 AA 型车的价格只受关税降低的影响,为了保证 2006 年2006\text{ 年} BB 型车的价格不高于 AA 型车价格的 90%90\%,BB 型车价格要逐年降低,问平均每年至少下降多少万元? (2) 某人在 2001 年2001\text{ 年}将 33 万元33\text{ 万元}存入银行,假设银行扣利息税后的年利率为 1.8%1.8\%(5 年5\text{ 年}内不变),且每年按复利计算(上一年的利息计入第二年的本金),那么五年到期时这笔钱连本带息是否一定够买按(1)中所述降价后的 BB 型车一辆?
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设 AA 型车的完税前价格为 pp 万元. 由 2001 年2001\text{ 年}的关税税率为 100%100\%,且关税为 32 万元32\text{ 万元},得 p=32p=32. 因而 2006 年2006\text{ 年}的 AA 型车价格为 32(1+25%)=4032(1+25\%)=40 万元. 为使 BB 型车价格不高于该价格的 90%90\%,其 2006 年2006\text{ 年}价格至多为 40×90%=3640\times90\%=36 万元. 由 2001 年2001\text{ 年}的 4646 万元降至至多 3636 万元,五年间至少下降 46−36=1046-36=10 万元. 因此平均每年至少下降 102006−2001=2\dfrac{10}{2006-2001}=2 万元. \item 按每年至少下降 22 万元计算,2006 年2006\text{ 年}的 BB 型车价格至多为 3636 万元. 五年后存款本息为 33(1+1.8%)5=33(1.018)5≈36.0833(1+1.8\%)^{5}=33(1.018)^{5}\approx36.08 万元,而 36.08>3636.08>36. 所以五年到期时这笔钱一定够买按上述降价后的 BB 型车一辆. \end{enumerate} \end{solution}

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21数列★★★☆☆
已知点的序列 An(xn,0)A_n(x_n,0),n∈Nn\in\mathbf{N},其中 x1=0x_1=0,x2=ax_2=a(a<0a<0),A3A_3 是线段 A1A2A_1A_2 的中点,A4A_4 是线段 A2A3A_2A_3 的中点,⋯\cdots,AnA_n 是线段 An−2An−1A_{n-2}A_{n-1} 的中点,⋯\cdots.
(1) 写出 xnx_n 与 xn−1x_{n-1},xn−2x_{n-2} 之间的关系式(n⩾3n\geqslant3); (2) 设 an=xn+1−xna_n=x_{n+1}-x_n,计算 a1a_1,a2a_2,a3a_3,由此推测数列 {an}\{a_n\} 的通项公式,并加以证明; (3) 求 lim⁡n→∞xn\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 因为 AnA_n 是线段 An−2An−1A_{n-2}A_{n-1} 的中点,所以 xn=xn−2+xn−12x_n=\dfrac{x_{n-2}+x_{n-1}}{2},即 2xn=xn−1+xn−22x_n=x_{n-1}+x_{n-2}(n⩾3n\geqslant3). \item 由 x1=0x_1=0,x2=ax_2=a,得 x3=x1+x22=a2x_3=\dfrac{x_1+x_2}{2}=\dfrac{a}{2},x4=x2+x32=3a4x_4=\dfrac{x_2+x_3}{2}=\dfrac{3a}{4}. 因而 a1=x2−x1=aa_1=x_2-x_1=a,a2=x3−x2=−a2a_2=x_3-x_2=-\dfrac{a}{2},a3=x4−x3=a4a_3=x_4-x_3=\dfrac{a}{4}. 对任意 n⩾1n\geqslant1,由递推关系有 an+1=xn+2−xn+1=xn+xn+12−xn+1=−12ana_{n+1}=x_{n+2}-x_{n+1}=\dfrac{x_n+x_{n+1}}{2}-x_{n+1}=-\dfrac12a_n. 所以 {an}\{a_n\} 是首项为 aa、公比为 −12-\dfrac12 的等比数列,从而 an=a(−12)n−1a_n=a\left(-\dfrac12\right)^{n-1}. \item 由 xn=x1+∑k=1n−1akx_n=x_1+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}a_k,得 xn=a∑k=0n−2(−12)k=2a3(1−(−12)n−1)x_n=a\displaystyle\sum_{k=0}^{n-2}\left(-\dfrac12\right)^k=\dfrac{2a}{3}\left(1-\left(-\dfrac12\right)^{n-1}\right). 因为 (−12)n−1→0\left(-\dfrac12\right)^{n-1}\to0,所以 lim⁡n→∞xn=2a3\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=\dfrac{2a}{3}. \end{enumerate} \end{solution}

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22解析几何★★★★☆
已知某椭圆的焦点是 F1(−4,0)F_1(-4,0),F2(4,0)F_2(4,0),过点 F2F_2,并垂直于 xx 轴的直线与椭圆的一个交点为 BB,且 ∣F1B∣+∣F2B∣=10\lvert F_1B\rvert+\lvert F_2B\rvert=10. 椭圆上不同的两点 A(x1,y1)A(x_1,y_1),C(x2,y2)C(x_2,y_2) 满足条件:∣F2A∣\lvert F_2A\rvert,∣F2B∣\lvert F_2B\rvert,∣F2C∣\lvert F_2C\rvert 成等差数列.
(1) 求该椭圆的方程; (2) 求弦 ACAC 中点的横坐标; (3) 设弦 ACAC 的垂直平分线的方程为 y=kx+my=kx+m,求 mm 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设椭圆的长半轴为 a0a_{0},短半轴为 b0b_{0},半焦距为 c0c_{0}. 由焦点坐标得 c0=4c_{0}=4. 又因为 BB 在椭圆上,故 ∣F1B∣+∣F2B∣=2a0=10\lvert F_{1}B\rvert+\lvert F_{2}B\rvert=2a_{0}=10,从而 a0=5a_{0}=5,且 b02=a02−c02=25−16=9b_{0}^{2}=a_{0}^{2}-c_{0}^{2}=25-16=9. 所以椭圆方程为 x225+y29=1\dfrac{x^{2}}{25}+\dfrac{y^{2}}{9}=1. \item 对椭圆上任意点 P(x,y)P(x,y),记 r1=∣F1P∣r_{1}=\lvert F_{1}P\rvert,r2=∣F2P∣r_{2}=\lvert F_{2}P\rvert. 由椭圆定义,r1+r2=10r_{1}+r_{2}=10,又 r12−r22=(x+4)2+y2−((x−4)2+y2)=16xr_{1}^{2}-r_{2}^{2}=(x+4)^{2}+y^{2}-\bigl((x-4)^{2}+y^{2}\bigr)=16x,所以 r1−r2=85xr_{1}-r_{2}=\dfrac{8}{5}x,从而 ∣F2P∣=r2=5−45x\lvert F_{2}P\rvert=r_{2}=5-\dfrac45x. 由第(1)问,点 BB 的横坐标为 44,故 ∣F2B∣=5−45×4=95\lvert F_{2}B\rvert=5-\dfrac45\times4=\dfrac95. 设 MM 为弦 ACAC 的中点. 由三项成等差数列,∣F2A∣+∣F2C∣=2∣F2B∣=185\lvert F_{2}A\rvert+\lvert F_{2}C\rvert=2\lvert F_{2}B\rvert=\dfrac{18}{5}. 若 M=(xM,yM)M=(x_{M},y_{M}),则 xM=xA+xC2=12[54(5−∣F2A∣)+54(5−∣F2C∣)]=4x_{M}=\dfrac{x_{A}+x_{C}}{2}=\dfrac{1}{2}\left[\dfrac54\left(5-\lvert F_{2}A\rvert\right)+\dfrac54\left(5-\lvert F_{2}C\rvert\right)\right]=4. 所以弦 ACAC 中点的横坐标为 44. \item 记弦 ACAC 的中点为 M=(4,yM)M=(4,y_{M}),并设 A=(xA,yA)A=(x_{A},y_{A}),C=(xC,yC)C=(x_{C},y_{C}). 由两点在椭圆上,作差得 xA2−xC225+yA2−yC29=0\dfrac{x_{A}^{2}-x_{C}^{2}}{25}+\dfrac{y_{A}^{2}-y_{C}^{2}}{9}=0. 又 xA+xC=8x_{A}+x_{C}=8,yA+yC=2yMy_{A}+y_{C}=2y_{M},所以弦的方向向量 (xA−xC,yA−yC)(x_{A}-x_{C},y_{A}-y_{C}) 满足 825(xA−xC)+2yM9(yA−yC)=0\dfrac{8}{25}(x_{A}-x_{C})+\dfrac{2y_{M}}{9}(y_{A}-y_{C})=0. 因而向量 (825,2yM9)\left(\dfrac{8}{25},\dfrac{2y_{M}}{9}\right) 是弦的一个法向量,弦的垂直平分线斜率为 k=(2yM9)(825)=25yM36k=\dfrac{(2\frac{y_{M}}{9})}{(\frac{8}{25})}=\dfrac{25y_{M}}{36},这个推导也包含 yM=0y_{M}=0 的情形. 该直线经过 MM,故 m=yM−4k=−169yMm=y_{M}-4k=-\dfrac{16}{9}y_{M}.
又因为 MM 是椭圆内一个非边界点,且 xM=4x_{M}=4,所以 1625+yM29<1\dfrac{16}{25}+\dfrac{y_{M}^{2}}{9}<1,即 −95<yM<95-\dfrac95<y_{M}<\dfrac95. 反之,直线 x=4x=4 上任意满足此不等式的点均在椭圆内部,均可作为某条非退化弦的中点,故取值范围没有遗漏. 由 m=−169yMm=-\dfrac{16}{9}y_{M},得 −165<m<165-\dfrac{16}{5}<m<\dfrac{16}{5}. \end{enumerate} \end{solution}

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