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已知双曲线 C:x2a2−y2b2=1(a>0,b>0) 的离心率为 2, 点 Pn (n=1,2,⋯) 在 C 上, 记 Pn 的坐标为 (xn,yn), xn−yn=(12)n−3, xn>0, Pn 关于 y 轴的对称点为 Qn. 已知 |P1Q1|=5.

  1. 求 C 的方程;
  2. 证明: 直线 Pn+1Pn+2 与直线 PnPn+3 平行;
  3. 设 ΔPnPn+1Pn+2 的面积为 Sn, ΔPnPn+1Qn 的面积为 Tn. 当 TnSn 取得最小值时, 求 n.
解答

  1. 解 由题意, {a=b,x12a2−y12b2=1,x1−y1=4,2x1=5, 解得 C:x2−y2=4.
  2. 证明 此时 4=xn2−yn2=(12)n−3(xn+yn), 从而 xn=22−n+2n−2, yn=2n−2−22−n. 因此kPn+1Pn+2=yn+2−yn+1xn+2−xn+1=2n+21−n2n−21−n,kPnPn+3=yn+3−ynxn+3−xn=7(2n−1+2−n)7(2n−1−2−n)=2n+21−n2n−21−n, 从而 Pn+1Pn+2//PnPn+3.
  3. 解 由 2 可得, ∀n≥2, PnPn+1//Pn−1Pn+2, 所以 Sn=SΔPnPn+1Pn+2=SΔPnPn+1Pn−1=Sn−1, 因此 Sn=Sn−1=⋯=S1 (也即 {Sn} 是个常值数列), 因此 TnSn 的最小值其实就是 Tn 的最小值. 而 Tn=12⋅2xn(yn+1−yn)=12(3+22n−3+24−2n). 记 f(x)=x23+24x, 有 f′(x)=123−24x2, 有零点 272, 因此 f(x) 在 (0,272) 上减, (272,+∞) 上增. 而 22n|n=1<272<22n|n=2, 所以 Tn=12(3+f(22n)) 的最小值在 n=1 或 2 处取得. 最后 T1=154>T2=3, 所以最小值在 n=2 处取得.

本题改编自高考真题 1032.