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14
复数
★★★★☆
设
O
O
O
为复平面的原点,
Z
1
Z_{1}
Z
1
和
Z
2
Z_{2}
Z
2
为复平面内的两动点,并且满足:
(1)
Z
1
Z_{1}
Z
1
和
Z
2
Z_{2}
Z
2
所对应的复数的辐角分别为定值
θ
\theta
θ
和
−
θ
-\theta
−
θ
(
0
<
θ
<
π
2
0<\theta<\frac{\pi}{2}
0
<
θ
<
2
π
); (2)
△
O
Z
1
Z
2
\triangle OZ_{1}Z_{2}
△
O
Z
1
Z
2
的面积为定值
S
S
S
,求
△
O
Z
1
Z
2
\triangle OZ_{1}Z_{2}
△
O
Z
1
Z
2
的重心
Z
Z
Z
所对应的复数的模的最小值.
\begin{solution} 设
Z
1
Z_1
Z
1
,
Z
2
Z_2
Z
2
和重心
Z
Z
Z
所对应的复数分别为
z
1
z_1
z
1
,
z
2
z_2
z
2
和
z
z
z
,并设
∣
z
1
∣
=
r
1
>
0
|z_1|=r_1>0
∣
z
1
∣
=
r
1
>
0
,
∣
z
2
∣
=
r
2
>
0
|z_2|=r_2>0
∣
z
2
∣
=
r
2
>
0
. 由辐角条件,
z
1
=
r
1
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
z_1=r_1(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta)
z
1
=
r
1
(
cos
θ
+
i
sin
θ
)
,
z
2
=
r
2
(
cos
θ
−
i
sin
θ
)
z_2=r_2(\cos\theta-\mathrm{i}\sin\theta)
z
2
=
r
2
(
cos
θ
−
i
sin
θ
)
. 三角形面积条件给出
S
=
1
2
r
1
r
2
sin
2
θ
S=\frac{1}{2}r_1r_2\sin 2\theta
S
=
2
1
r
1
r
2
sin
2
θ
,所以
r
1
r
2
=
S
sin
θ
cos
θ
r_1r_2=\frac{S}{\sin\theta\cos\theta}
r
1
r
2
=
s
i
n
θ
c
o
s
θ
S
.
由于重心对应的复数满足
3
z
=
z
1
+
z
2
3z=z_1+z_2
3
z
=
z
1
+
z
2
,有
3
z
=
(
r
1
+
r
2
)
cos
θ
+
(
r
1
−
r
2
)
i
sin
θ
3z=(r_1+r_2)\cos\theta+(r_1-r_2)\mathrm{i}\sin\theta
3
z
=
(
r
1
+
r
2
)
cos
θ
+
(
r
1
−
r
2
)
i
sin
θ
. 因此
∣
3
z
∣
2
=
(
r
1
+
r
2
)
2
cos
2
θ
+
(
r
1
−
r
2
)
2
sin
2
θ
=
(
r
1
−
r
2
)
2
+
4
r
1
r
2
cos
2
θ
|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
∣3
z
∣
2
=
(
r
1
+
r
2
)
2
cos
2
θ
+
(
r
1
−
r
2
)
2
sin
2
θ
=
(
r
1
−
r
2
)
2
+
4
r
1
r
2
cos
2
θ
由
(
r
1
−
r
2
)
2
⩾
0
(r_1-r_2)^2\geqslant0
(
r
1
−
r
2
)
2
⩾
0
,得
∣
3
z
∣
2
⩾
4
r
1
r
2
cos
2
θ
=
4
S
cot
θ
|3z|^2\geqslant4r_1r_2\cos^2\theta=4S\cot\theta
∣3
z
∣
2
⩾
4
r
1
r
2
cos
2
θ
=
4
S
cot
θ
. 当且仅当
r
1
=
r
2
r_1=r_2
r
1
=
r
2
时取等号,且此时满足给定的面积条件,因此
∣
z
∣
|z|
∣
z
∣
的最小值为
2
3
S
cot
θ
\frac{2}{3}\sqrt{S\cot\theta}
3
2
S
cot
θ
. \end{solution}
1985 · 全国 · 理 · 第 14 题 · 解答题
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