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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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