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已知双曲线 C:x2−y2=m(m>0), 点 P1(5,4) 在 C 上,k 为常数,且 0<k<1. 按照如下公式依次构造点 Pn(xn,yn)(n=2,3,⋯): 过点 Pn−1 作斜率为 k 的直线与 C 的左支点交于点 Qn−1, 令 Pn 是 Qn−1 关于 y 轴的对称点.

  1. 若 k=12, 求 x2,y2;
  2. 证明: 数列 {xn−yn} 是公比为 1+k1−k 的等比数列;
  3. 设 Sn 为 ΔPnPn+1Pn+2 的面积,证明:对于任意正整数 n, Sn+1=Sn.
解答

  1. 解 当 k=12, lP1Q1:y−4=12(x−5), 与 C 联立得 x=−3 或 x=5 (舍去). 因此 Q1(−3,0),P2(3,0), 故 x2=3,y2=0.
  2. 证明 由题意 Qn−1(−xn,yn). 一方面,Qn−1 在 lQn−1Pn−1 上:yn−yn−1=−k(xn+xn−1).
    另一方面 Qn−1,Pn−1 在 C 上得到 xn2−yn2=xn−12−yn−12=9⇒(xn−xn−1)(xn+xn−1)=(yn−yn−1)(yn+yn−1).
    从而联立两式,消去 yn−yn−1xn+xn−1, 得 {yn−yn−1=−k(xn+xn−1),xn−xn−1=−k(yn+yn−1)⇒xn−yn=1+k1−k(xn−1−yn−1).
    (将方程组的两式相减). 而 x1−y1=1≠0, 因此证明了题目结论.
  3. 证明 简记 q=1+k1−k>1. 由 2 我们得到 xn−yn=qn−1. 类似地,如果将 2 中方程组的两式相加, 得到 xn+yn=9qn−1, 因此解得 xn=12(qn−1+9qn−1),yn=12(9qn−1−qn−1).
    首先我们证明:Pn+3Pn//Pn+2Pn+1,也即(这里进行带入和整理, 并简记 A=9(1−q3)qn+2, B=qn−1(q3−1), C=9(1−q)qn+1,D=qn(q−1)) A+BA−B=C+DC−D⟺BC=AD,
    但 BC=AD 是显然的,这样命题得证. 而事实上命题意味着,将 ΔPnPn+1Pn+2,ΔPn+3Pn+1Pn+2 同时取公共边 Pn+1Pn+2 作为底边时,两顶点的连线与底边平行,也即两个三角形同底等高,因此 Sn+1=Sn.