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已知曲线 E:x24+y2b2=1 (b>0) 与点 P(5,0), O 为原点, 动点 Q∈E, 且 ∠OPQ 的最大值为 π4.

  1. 求曲线 E 的方程;
  2. 已知有 n+1 个点 A0,A1,A2,⋯,An 按逆时针顺序依次在 E 上, 且 A0(2,0), An(−2,0).
    1. 当 A1,A2 关于 y 轴对称, 且 ΔOA1A3 的面积为 1 时, 求直线 A2A3 的斜率;
    2. 当 ΔOAk−1Ak (1≤k≤n) 的面积都相等时, 记多边形 A0A1A2⋯An 的周长为 Cn. 若对于 ∀n∈N∗, 都有 Cn<λ, 求整数 λ 的最小值.
解

  1. 设 Q(2cos⁡θ,bsin⁡θ), 则 ∠OPQ 的最大值为 π4 意味着 |kPQ|=|tan⁡∠OPQ| 有最大值 1. 也即 |bsin⁡θ5−2cos⁡θ|≤b|sin⁡θ||(2cos⁡θ+sin⁡θ)−2cos⁡θ|=b=1, 所以 E:x24+y2=1.
    1. 设 A1(2cos⁡α,sin⁡α), A3(2cos⁡β,sin⁡β), 且 A2(−2cos⁡α,sin⁡α). 因为 A1,A2,A3 是逆时针的位置关系, 则 0<α<π2<β<π. 于是 SΔOA1A3=12|OA1→×OA3→|=|cos⁡βsin⁡α−cos⁡αsin⁡β|=|sin⁡(α−β)|=1, 于是只有 α−β=−π2. 这样 kA2A3=sin⁡α−sin⁡β−2(cos⁡α+cos⁡β)=sin⁡α−cos⁡α−2(cos⁡α−sin⁡α)=12.
    2. 设 Ak(2cos⁡θk,sin⁡θk), 则类似 2.1, 有 SΔOAk−1Ak=sin⁡(θk−θk−1) 对任意 k 都相等, 也即 θk−θk−1 对任意 k 都相等. 而 θ0=0, θn=π, 所以 {θk}k=1n 是等差数列, θk=kπn. 于是 |Ak−1Ak|2=(2cos⁡θk−1−2cos⁡θk)2+(sin⁡θk−1−sin⁡θk)2=16sin2⁡θk−1+θk2sin2⁡θk−1−θk2+4cos2⁡θk−1+θk2sin2⁡θk−1−θk2=2sin2⁡θk−1−θk2(2+6sin2⁡θk−1+θk2)=2sin2⁡π2n[5−3cos⁡(θk−1+θk)]=2sin2⁡π2n(5−3cos⁡(2k−1)πn).
      此外我们说明 ∑k=1ncos⁡(2k−1)πn=1sin⁡πn∑k=1nsin⁡πncos⁡(2k−1)πn=1sin⁡πn∑k=1n[sin⁡((2k−1)πn+πn)−sin⁡((2k−1)πn−πn)]=1sin⁡πn∑k=1n[sin⁡2kπn−sin⁡(2k−2)πn]=1sin⁡πn(sin⁡2π−sin⁡0)=0. 于是Cn=4+∑k=1n|Ak−1Ak|≤4+n∑k=1n|Ak−1Ak|2=4+n⋅10nsin2⁡π2n<4+10n2(π2n)2=4+π102. 而 π2<3.152<10, 也即 π102<5, 于是 Cn<9. 另一方面如果 n=2, 则 Cn=4+20>8, 所以 λ 的最小值为 9.