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13立体几何初步★★★★☆
如图,设平面 ACAC 和 BDBD 相交于 BCBC,它们所成的一个二面角为 45∘45^{\circ},PP 为平面 ACAC 内的一点,QQ 为平面 BDBD 内的一点. 已知直线 MQMQ 是直线 PQPQ 在平面 BDBD 内的射影,并且 MM 在 BCBC 上. 又设 PQPQ 与平面 BDBD 所成的角为 β\beta,∠CMQ=θ\angle CMQ=\theta(0∘<θ<90∘0^{\circ}<\theta<90^{\circ}),线段 PMPM 的长为 aa,求线段 PQPQ 的长.
\begin{solution} 从 PP 向平面 BDBD 作垂线,垂足为 RR. 因为 MQMQ 是 PQPQ 在平面 BDBD 内的射影,所以 RR 在直线 MQMQ 上. 过 RR 向交线 BCBC 作垂线,垂足为 NN. 由三垂线定理,PN⊥BCPN\perp BC,而 RN⊥BCRN\perp BC,所以 ∠PNR\angle PNR 是两平面所成二面角的平面角,从而 ∠PNR=45∘\angle PNR=45^{\circ}. 又因 PR⊥BDPR\perp BD,且 RN⊂BDRN\subset BD,所以 PR⊥RNPR\perp RN,三角形 PNRPNR 在 RR 处直角,故 PR=RNPR=RN.
令 φ=∠PMR\varphi=\angle PMR. 在直角三角形 PMRPMR 中,PM=aPM=a,所以 MR=acos⁡φMR=a\cos\varphi,PR=asin⁡φPR=a\sin\varphi. 由于 RR 在 MQMQ 上,∠CMR=∠CMQ=θ\angle CMR=\angle CMQ=\theta. 在直角三角形 MNRMNR 中,NR=MRsin⁡θ=acos⁡φsin⁡θNR=MR\sin\theta=a\cos\varphi\sin\theta. 结合 PR=NRPR=NR,得到 asin⁡φ=acos⁡φsin⁡θa\sin\varphi=a\cos\varphi\sin\theta,即 tan⁡φ=sin⁡θ\tan\varphi=\sin\theta.
在三角形 PMQPMQ 中,∠PMQ=φ\angle PMQ=\varphi,而 ∠PQM=β\angle PQM=\beta,后者是直线 PQPQ 与平面 BDBD 所成的角. 由正弦定理,PQsin⁡φ=PMsin⁡β\frac{PQ}{\sin\varphi}=\frac{PM}{\sin\beta},所以 PQ=asin⁡φsin⁡βPQ=\frac{a\sin\varphi}{\sin\beta}. 由 tan⁡φ=sin⁡θ\tan\varphi=\sin\theta 且 0<φ<90∘0<\varphi<90^{\circ},有 sin⁡φ=sin⁡θ1+sin⁡2θ\sin\varphi=\frac{\sin\theta}{\sqrt{1+\sin^2\theta}}. 因此 PQ=asin⁡θsin⁡β1+sin⁡2θPQ=\frac{a\sin\theta}{\sin\beta\sqrt{1+\sin^2\theta}}. \end{solution}

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14复数★★★★☆
设 OO 为复平面的原点,Z1Z_{1} 和 Z2Z_{2} 为复平面内的两动点,并且满足:
(1) Z1Z_{1} 和 Z2Z_{2} 所对应的复数的辐角分别为定值 θ\theta 和 −θ-\theta(0<θ<π20<\theta<\frac{\pi}{2}); (2) △OZ1Z2\triangle OZ_{1}Z_{2} 的面积为定值 SS,求 △OZ1Z2\triangle OZ_{1}Z_{2} 的重心 ZZ 所对应的复数的模的最小值.
\begin{solution} 设 Z1Z_1,Z2Z_2 和重心 ZZ 所对应的复数分别为 z1z_1,z2z_2 和 zz,并设 ∣z1∣=r1>0|z_1|=r_1>0,∣z2∣=r2>0|z_2|=r_2>0. 由辐角条件,z1=r1(cos⁡θ+isin⁡θ)z_1=r_1(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta),z2=r2(cos⁡θ−isin⁡θ)z_2=r_2(\cos\theta-\mathrm{i}\sin\theta). 三角形面积条件给出 S=12r1r2sin⁡2θS=\frac{1}{2}r_1r_2\sin 2\theta,所以 r1r2=Ssin⁡θcos⁡θr_1r_2=\frac{S}{\sin\theta\cos\theta}.
由于重心对应的复数满足 3z=z1+z23z=z_1+z_2,有 3z=(r1+r2)cos⁡θ+(r1−r2)isin⁡θ3z=(r_1+r_2)\cos\theta+(r_1-r_2)\mathrm{i}\sin\theta. 因此
∣3z∣2=(r1+r2)2cos⁡2θ+(r1−r2)2sin⁡2θ=(r1−r2)2+4r1r2cos⁡2θ|3z|^2=(r_1+r_2)^2\cos^2\theta+(r_1-r_2)^2\sin^2\theta=(r_1-r_2)^2+4r_1r_2\cos^2\theta
由 (r1−r2)2⩾0(r_1-r_2)^2\geqslant0,得 ∣3z∣2⩾4r1r2cos⁡2θ=4Scot⁡θ|3z|^2\geqslant4r_1r_2\cos^2\theta=4S\cot\theta. 当且仅当 r1=r2r_1=r_2 时取等号,且此时满足给定的面积条件,因此 ∣z∣|z| 的最小值为 23Scot⁡θ\frac{2}{3}\sqrt{S\cot\theta}. \end{solution}

1985 · 全国 · 理 · 第 14 题 · 解答题

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15解析几何★★★★☆
已知两点 P(−2,2)P\left(-2,2\right),Q(0,2)Q\left(0,2\right) 以及一条直线 L:y=xL:y=x,设长为 2\sqrt{2} 的线段 ABAB 在直线 LL 上移动,如图,求直线 PAPA 和 QBQB 的交点 MM 的轨迹方程. (要求把结果写成普通方程)
\begin{solution} 设 A=(t,t)A=(t,t),B=(t+1,t+1)B=(t+1,t+1),其中 t∈Rt\in\mathbf{R},这样 AB=2AB=\sqrt{2}. 设交点为 M=(x,y)M=(x,y). 由直线 PAPA 经过 (−2,2)(-2,2) 和 (t,t)(t,t),直线 QBQB 经过 (0,2)(0,2) 和 (t+1,t+1)(t+1,t+1),分别得到
t(y−x−4)+2(x+y)=0t(y-x-4)+2(x+y)=0
t(y−x−2)+x+y−2=0t(y-x-2)+x+y-2=0
当 t=0t=0 时,上述两式分别化为 x+y=0x+y=0 和 x+y=2x+y=2,故两直线平行且无交点. 以下设 t≠0t\neq0,令 u=x−yu=x-y,v=x+yv=x+y,上面两式化为 2v=t(u+4)2v=t(u+4) 和 v=t(u+2)+2v=t(u+2)+2. 消去 vv 得 tu=−4tu=-4,再代回得 v=2t−2v=2t-2. 于是 u(v+2)+8=0u(v+2)+8=0. 代回 u=x−yu=x-y,v=x+yv=x+y,可得
x2−y2+2x−2y+8=0x^2-y^2+2x-2y+8=0
反过来,满足该方程的点必有 x−y≠0x-y\neq0,取 t=−4x−yt=-\frac{4}{x-y} 即可由上述两式得到对应的交点,因此这就是交点 MM 的轨迹普通方程. \end{solution}

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16数列★★★★☆
设 an=1⋅2+2⋅3+⋯+n(n+1)a_{n}=\sqrt{1\cdot 2}+\sqrt{2\cdot 3}+\cdots+\sqrt{n(n+1)}(n=1n=1,22,⋯\cdots).
(1) 证明:不等式 n(n+1)2<an<(n+1)22\frac{n(n+1)}{2}<a_n<\frac{(n+1)^2}{2} 对所有的正整数 nn 都成立; (2) 设 bn=ann(n+1)b_n=\frac{a_n}{n(n+1)}(n=1n=1,22,⋯\cdots),用定义证明:lim⁡n→∞bn=12\displaystyle\lim_{n\to\infty}b_n=\frac{1}{2}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 对任意正整数 kk,有 k2<k(k+1)<(k+12)2k^2<k(k+1)<\left(k+\frac{1}{2}\right)^2,所以 k<k(k+1)<k+12k<\sqrt{k(k+1)}<k+\frac{1}{2}. 对 k=1k=1,22,…\ldots,nn 求和,得到 n(n+1)2<an<n(n+2)2<(n+1)22\frac{n(n+1)}{2}<a_n<\frac{n(n+2)}{2}<\frac{(n+1)^2}{2},故所证不等式对所有正整数 nn 成立. \item 由第一问及 bn=ann(n+1)b_n=\frac{a_n}{n(n+1)},有 12<bn<n+12n=12+12n\frac{1}{2}<b_n<\frac{n+1}{2n}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2n}. 任给 ε>0\varepsilon>0,取正整数 N=⌊12ε⌋+1N=\left\lfloor\frac{1}{2\varepsilon}\right\rfloor+1. 当 n⩾Nn\geqslant N 时,0<∣bn−12∣<12n⩽12N<ε0<\left|b_n-\frac{1}{2}\right|<\frac{1}{2n}\leqslant\frac{1}{2N}<\varepsilon. 这正是数列极限的定义,所以 lim⁡n→∞bn=12\displaystyle\lim_{n\to\infty}b_n=\frac{1}{2}. \end{enumerate} \end{solution}

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17集合与逻辑基础★★★★☆
设 aa,bb 是两个实数,
A={(x,y)∣x=n,y=na+b,n∈Z}A = \left\{\left(x, y\right)\mid x = n, y = na + b, n \in \mathbf{Z}\right\},
B={(x,y)∣x=m,y=3m2+15,m∈Z}B = \left\{\left(x, y\right)\mid x = m, y = 3m^2 + 15, m \in \mathbf{Z}\right\},
C={(x,y)∣x2+y2⩽144}C = \left\{(x, y)\mid x^2 + y^2 \leqslant 144\right\} 是平面 xOyxOy 内的点集合,讨论是否存在 aa 和 bb 使得
(1) A∩B≠∅A \cap B \neq \varnothing(∅\varnothing 表示空集); (2) (a,b)∈C\left(a,b\right)\in C 同时成立.
\begin{solution} 若 A∩B≠∅A\cap B\neq\varnothing,则存在整数 nn 和 mm,使得 (n,na+b)=(m,3m2+15)(n,na+b)=(m,3m^2+15). 比较横坐标得 n=mn=m,记这个整数为 kk,于是
ka+b=3k2+15ka+b=3k^2+15
恒等式 (k2+1)(a2+b2)=(ka+b)2+(a−kb)2(k^2+1)(a^2+b^2)=(ka+b)^2+(a-kb)^2 给出
a2+b2⩾(ka+b)2k2+1=(3k2+15)2k2+1a^2+b^2\geqslant\frac{(ka+b)^2}{k^2+1}=\frac{(3k^2+15)^2}{k^2+1}
而 (3k2+15)2−144(k2+1)=9(k2−3)2>0(3k^2+15)^2-144(k^2+1)=9(k^2-3)^2>0,其中严格不等号成立是因为 kk 为整数,不可能有 k2=3k^2=3. 所以 a2+b2>144a^2+b^2>144,这与 (a,b)∈C(a,b)\in C,即 a2+b2⩽144a^2+b^2\leqslant144,矛盾. 因此不存在同时满足这两个条件的实数 aa 和 bb. \end{solution}

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