浙江 2023 · 数学 q22

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题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2023 · 数学 q22 原卷截图(含答案)

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题面

22.(12分)(2023•新高考Ⅰ)在直角坐标系xOyx O y中,点P到x轴的距离等于点P到点(0,12)\frac 1 2 )的距离,记动点P的轨迹为W

(1)求W的方程;

(2)已知矩形ABCD有三个顶点在W上,证明:矩形ABCD的周长大于333 \sqrt{3}

2023年高考数学试卷(新高考Ⅰ)

(1)求W的方程;

(2)已知矩形ABCD有三个顶点在W上,证明:矩形ABCD的周长大于333 \sqrt{3}

答案

见试题解答内容

解析

分析

(1)设点p坐标,结合几何条件即可得出W的方程

(2)首先利用平移性,化简 W 的方程可简化计算,核心是把两邻边的和用其他方式表示出来

解答

解:(1)设点P点坐标为(x, y)( x , \ y )),由题意得y=x2+(y12)2\lvert y \rvert = \sqrt{x^{2} + ( y - \frac{1}{2} )^{2}}

两边平方可得:y2=x2+y2y+14y^{2} = x^{2} + y^{2} - y + \frac{1}{4}

化简得:y=x2+14y = x^{2} + \frac{1}{4},符合题意

故W的方程为y=x2+14.{y = x^{2} + {\frac{1}{4}} .}

(2)解法一:不妨设A,B,C三点在W上,且ABBCA B \bot B C

A(a,a2+14),B(b,b2+14),C(c,c2+14)A ( a , a^{2} + \frac{1}{4} ) , B ( b , b^{2} + \frac{1}{4} ) , C ( c , c^{2} + \frac{1}{4} )

AB=(ba, b2a2), BC=(cb, c2b2)\vec{| A B =} ( b - a , \ b^{2} - a^{2} ) , \ \vec{B C} = ( c - b , \ c^{2} - b^{2} )

由题意,ABBC=0\stackrel{}{A B} \cdot \stackrel{}{B C} = 0,即(ba)(cb)+(b2a2)(c2b2)=0.\left( b - a \right) \left( c - b \right) + \left( b^{2} - a^{2} \right) \left( c^{2} - b^{2} \right) = 0 .

显然(ba) (cb)0( b - a ) \ ( c - b ) \neq 0,于是1+ (b+a) (c+b) =01 + \ ( b + a ) \ ( c + b ) \ = 0

此时,b+a.c+b=1| b + a | . | c + b | = 1.于是min{b+a,c+b}1m i n \{| b + a | , | c + b | \} \leqslant 1

不妨设c+b1\cdot | c + b | \leqslant 1,则a=b1b+ca {=} - b {-}{\frac{1}{b {+} c}}

则|AB|+|BC|=|b﹣a|f1 + (� + �)# +|c﹣b|f1 + (� + �)#

=ba1+1(c+b)2+cb1+(c+b)2= | b - a | \sqrt{1 + \frac{1}{(c + b)^{2}}} + | c - b | \sqrt{1 + (c + b)^{2}}

ba1+(c+b)2+cb1+(c+b)2\geqslant | b - a | \sqrt{1 + (c + b)^{2}} + | c - b | \sqrt{1 + (c + b)^{2}}

ca1+(c+b)2\geqslant | c - a | \sqrt{1 + (c + b)^{2}}

=b+c+1b+c1+(c+b)2.= | b + c + \frac{1}{b + c} | \sqrt{1 + (c + b)^{2}}.

x=b+cx^{=} | b {+} c |,则f(x)=(x+1x) 1+x2f ( x ) = ( x + {\frac{1}{x}} ) \ {\sqrt{1 + x^{2}}},即f(x)=(1+x2)32x,f \left( x \right) = \frac{{\left( 1 + x^{2} \right)}^{\frac{3}{2}}}{x} ,

f(x)=(1+x2)12.(3x21x2)x2=(1+x2)12.(2x21)x2.f^{\prime} \quad (x) = \frac{(1 + x^{2})^{\frac{1}{2}} . (3 x^{2} - 1 - x^{2})}{x^{2}} = \frac{(1 + x^{2})^{\frac{1}{2}} . (2 x^{2} - 1)}{x^{2}}.

显然,x=22x {=} \frac{\sqrt{2}}{2}为最小值点.故f(x)f(22)=332;f \left( x \right) \geqslant f ( \frac{\sqrt{2}}{2} ) = \frac{3 \sqrt{3}}{2} ;

故矩形ABCDA B C D的周长为2 (AB+BC) 2f (x) 332 \ ( | A B | {+} | B C | ) \ {\geqslant} 2 f \ ( x ) \ {\geqslant} 3 {\sqrt{3}}

注意这里有两个取等条件,一个是b+c=1| b + c | = 1,另一个是b+c=22,| b + c | = {\frac{\sqrt{2}}{2}} ,

这显然是无法同时取到的,所以等号不成立,命题得证

解法二:不妨设A,B,D在抛物线W上,C不在抛物线W上,欲证命题为AB+AD>332.| A B | {+} | A D | > \frac{3 \sqrt{3}}{2} .

由图象的平移可知,将抛物线W看作y=x2y = x^{2}不影响问题的证明

A(a,a2)(a0)A ( a , a^{2} ) ( a {\geqslant} 0 )),平移坐标系使A为坐标原点,

则新抛物线方程为y^{\prime} = x^{'}^{2} + 2 a x^{\prime},写为极坐标方程,

psinΘ=ρ2cos2Θ+2aρcosΘ\mathrm{p s i n} \Theta = \rho^{2} \cos^{2} \Theta + 2 a \rho \mathrm{c o s} \Theta,即ρ=sinθ2acosθcos2θ\rho{=} \frac{s i n \theta{-} 2 a c o s \theta}{c o s^{2} \theta}

欲证明的结论为sinθ2acosθcos2θ+sin(θ+π2)2acos(θ+π2)cos2(θ+π2)>332,| \frac{s i n \theta - 2 a c o s \theta}{c o s^{2} \theta} | + | \frac{s i n ( \theta + \frac{\pi}{2} ) - 2 a c o s ( \theta + \frac{\pi}{2} )}{c o s^{2} ( \theta + \frac{\pi}{2} )} | > \frac{3 \sqrt{3}}{2} ,

也即2acosθsinθcos2θ+2asinθ+cosθsin2θ>332.| \frac{2 a}{c o s \theta} - \frac{s i n \theta}{c o s^{2} \theta} | + | \frac{2 a}{s i n \theta} + \frac{c o s \theta}{s i n^{2} \theta} | > \frac{3 \sqrt{3}}{2} .

不妨设2cosθ2sinθ| \frac{2}{c o s {\theta}} | \mathcal{\geq} | \frac{2}{s i n {\theta}} |,将不等式左边看成关于a的函数,根据绝对值函数的性质,

其最小值当{\frac{2}{c o s \theta}} \cdot a - {\frac{s i n \theta}{c o s^{2} \theta}} = 0 \mathbb{H}{\mathbb{\}} a = {\frac{s i n \theta}{2 c o s \theta}}时取得,

因此欲证不等式为1cosθ+cosθsin2θ>332| \frac{1}{c o s {\theta}} + \frac{c o s {\theta}}{s i n^{2}{\theta}} | > \frac{3 \sqrt{3}}{2},即1cosθsin2θ>332,| \frac{1}{c o s \theta s i n^{2} \theta} | > \frac{3 \sqrt{3}}{2} ,

根据均值不等式,有cosθsin2θ| \cos \theta \sin^{2} \theta |

=122cos2θ(1cos2θ)(1cos2θ)= \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \sqrt{2 \cos^{2} \theta (1 - \cos^{2} \theta) (1 - \cos^{2} \theta)}

12(23)3=233,\leq \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \sqrt{(\frac{2}{3})^{3}} = \frac{2}{3 \sqrt{3}},

由题意,等号不成立,故原命题得证