第一期讲了选择、多选里的几道题。这一期来讲讲填空题 14,以及解答题 16、17、18。
第 14 题(5分)
原题
设实数 满足:存在数列 ,使得对于任意 ,均有 ,且 中有某连续9项 是公比为 的等比数列。求 的最大值。
思路解析
这道题看起来变量很多(数列本身不确定,只给了一个每 3 项一组的前缀和条件),但只要抓住一个关键动作——把数列按每 3 项分组,看每组的和,问题就会清晰很多。
设 。把第 组(即 )的和记为 ,不管数列 具体长什么样,每一组三个数的和都必须是 ( 是组号)。这是整道题唯一确定的"硬约束",剩下每组内部三个数具体怎么分,是完全自由的。
接下来要看:起点 落在哪个位置,会决定这连续 9 项跟"每 3 个一组"的分组方式是怎么错位的。按 除以 3 的余数分类讨论,正好对应三种错位方式:
- 若 除以 3 余 1(即 ):这 9 项恰好对齐 3 个完整的组;
- 若 除以 3 余 2(即 ):这 9 项包含两个完整组(第 组),两端各带零头;
- 若 能被 3 整除(即 ):这9项同样包含两个完整组(第 组),只是零头分布位置不同。
这三种情形里,第一种(9 项恰好对齐 3 个整组)看起来是最"整齐"的一种,但真正代入两组之间的比值关系去算,会发现推出一个自相矛盾的等式——这说明"看起来整齐"不代表"真的可行"。后两种情形(错位 1 格、错位 2 格)才是真正走得通的路径,算出来的 都是一个随 增大而减小的表达式,所以要让 最大,就要让 取到能取的最小值。
另外要注意,前面推出的 只是一个"必要条件"——也就是说,如果存在满足条件的数列, 一定不超过 ;但反过来, 这个值是否真的能被某个实际存在的数列达到,还需要单独构造一个例子来验证。这一步不是可有可无的补充,而是这类求最大值问题里必不可少的一环。
解题过程
解: 设 ,由 得, 当 时:
当 时, 亦满足上式。故对任意 ,均有 。
设这连续的9项为 ,记 。由于方程 的判别式 ,故对任意实数 ,恒有 (即 )。
按起点 除以3的余数分三种情形讨论:
① (其中 ):这9项恰好是第 三个完整的组,由题意得:
两式相除得 且 ,从而 。 展开得 ,即 ,此方程无解,故此情形不存在。
② (其中 ):这9项中的两个完整组是第 组(对应项为 与 ),由题意得:
两式相除得 。 因为 ,所以当 时, 取得最大值 。
③ (其中 ):这9项中的两个完整组是第 组(对应项为 与 ),由题意得:
两式相除得 。 因为 即 ,所以当 时, 取得最大值 。
综上所述,,所以 。
下证等号可以取到:取 ,此时 (对应情形②),。 令 ,此时这9项对应 至 ,且满足 。 对于数列 的其余项,我们只需令:
由此构造出的数列 完全符合题意。 故 的最大值为 。
第 16 题(15分)
原题
在 中,。
(1)求 ;
(2)设 两点满足: 在 的延长线上,,。若 ,求 。
思路解析
第 (1) 问是标准的余弦定理应用:先用 求出第三边 ,再反过来用余弦定理求 。
第 (2) 问如果用传统几何法找相似三角形,图形极易看错。利用解析几何的建系思想最稳妥:以 为原点, 为 轴建系,这样 这个几何条件直接转化成"点 的横坐标为 0"。
建系之后需要处理两件事:一是用 把点 的坐标精确写出来;二是用向量平移的方式表示 两点。这里设 时, 的正负号不能仅凭" 在延长线上"这一条件单独判断,必须连同后面" 在 延长线上"对应的坐标约束()一起才能确定。更稳妥的做法是先把两种符号都列出来,代入后看哪一种能让 成立,用矛盾把不合法的一支排除掉。
解题过程
(1)解:在 中,由余弦定理得:
因为 ,所以 ,由此得 。 再由余弦定理得:
(2)解:在平面 内,以 为原点, 所在直线为 轴,过点 且在平面内垂直于 的直线为 轴,建立平面直角坐标系。 由(1)知 。因为 为三角形内角且 ,所以 。 则点 的坐标为 。 从而得到向量 。 因为 ,所以可设 ()。 由 ,得:
因为 在 的延长线上,可设 。 已知 ,则点 的坐标为 。 由 ,可得点 的坐标为 。 因为 ,且 在 轴上,所以点 的横坐标为0,即:
下面对 的两种可能取值分别代入检验:
将 代入点 的纵坐标:
因此点 的坐标为 。 由两点间距离公式:
第 17 题(15分)
设整数 , 某同学用一个球进行投篮练习, 至多投篮 次, 当且仅当投中 1 次时或 次均未投中时, 停止练习。设该同学每次投中的概率为 , 各次投中与否相互独立, 记 为停止练习时该同学的投篮次数。
(1) 当 时, 求 的分布列;
(2) 设 均为自然数。
(i) 当 时, 求 ;
(ii) 当 时, 证明: 。
思路解析
理解停止规则是这道题的第一道关卡:投中 1 次或 N 次均未投中,只要满足其中一个就停止。
第(1)问求分布列,注意最后一项 。当前 3 次都没投中时,第 4 次不管投中(满足投中 1 次)还是没投中(满足 4 次均未中),都会在第 4 次停止,所以 的概率实质上就是前 3 次都没投中的概率。
第(2)问的(i)问要特别注意一点:""等价于"前 次都没中"这件事,只有在 时才成立。原因是——如果 ,根据停止规则,投篮最多只投 次, 根本不可能大于 ,这时候""这个事件本身概率就是0,跟"前 次都没中"不是一回事。所以题目专门限定 ,就是为了保证投篮次数超过 和前 次全部未中这两件事是完全等价的。
解题过程
(1)解:随机变量 的所有可能取值为 。 依据独立重复试验及停止规则:
故 的分布列为:
(2)(i)解:当 且 时,投篮练习在第 次之后才停止,等价于事件前 次投篮练习中均未投中。
由于每次投篮相互独立,且每次投不中的概率为 ,由独立事件的乘法原理可得:
(ii)证明:因为 为自然数,所以 ,由此可得事件间的包含关系:。 根据条件概率公式:
因为 ,所以必有 且 均成立。 由(i)中所得结论代入上式可得:
又由(i)知,当 时,, 所以 成立。
第 18 题 (17分)
原题
已知椭圆 的左焦点为 ,离心率为 。
(1)求 的方程;
(2)设 为坐标原点,过 且斜率大于0的动直线 与 交于 两点,其中 在第三象限,直线 与 的另一个交点为 。
(i)若 的面积是 面积的3倍,求 的方程;
(ii)求 的最小值。
思路解析
第 (1) 问常规待定系数法。
第 (2) 问的 (i) 问,核心突破口在于利用中心对称性得出 。想清楚这一点之后,"面积比"就可以转化成"线段比":因为 三点共线,同一直线上任意两点间的距离和它们的横坐标差是成正比的。而在大题书写中,为了规避去绝对值时的分类讨论,使用向量共线 转化为没有绝对值的代数式是最严密、最不容易被扣分的写法。
(ii) 问求 的最小值,可以把这个角看成直线 与直线 的夹角,代入两直线夹角公式。最后用基本不等式求出最小值。
解题过程
(1)解:由左焦点 知 。 由离心率 ,得 。 则 。 故椭圆 的方程为 。
(2)(i)解:设动直线 的方程为 。设 。 联立直线 与椭圆 的方程:
因为 ,所以判别式 恒成立。由韦达定理得:
因为直线 与椭圆交于另一点 ,且椭圆关于原点对称,所以 ,即 为线段 的中点。 根据三角形面积公式, 与 的底分别在直线 和 上。 因为 是 的中点,且 共线,由点到直线的距离关系可知,点 到直线 的距离是点 到直线 的距离的 2 倍(即 )。 因此:
由题意,该面积比值为 3,即 。 因为 在线段 内,所以 ,从而得 。
所以 。 又 ,则 ,。 根据向量共线的坐标关系可得:
联立韦达定理中的两根之和:
将 代入韦达定理中的两根之积式中:
展开右边并化简得:。 因为 ,所以 。 故直线 的方程为 ,即 。
(ii)解:直线 的斜率为 。 由(i)知 ,且 。故直线 的斜率为:
因为 在直线 上,所以 。 代入斜率公式中:
将韦达定理中的 代入上式:
因此,由两直线夹角公式可得:
...图形的几何关系可以通过直角三角形来加深理解:
因为 ,由基本不等式可得:
当且仅当 即 时,等号成立。 故 的最小值为 。