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已知 A(−1,0), B(1,0), ΔMAB 中, M 为动点, 记 ∠MAB=α, ∠MBA=β, M 满足条件: cos⁡α+cos⁡β=ksin⁡(α+β) (k 为常数, k>1). 记动点 M 轨迹上的点到原点的距离最小值为 f(k).

  1. 求 M 点的轨迹方程;
  2. 求 f(k) 的解析式;
  3. 求证 f(2)+f(3)+⋯+f(n)<34.
解答

  1. 解 设 M(x,y), 则 cos⁡α=x+1(x+1)2+y2, cos⁡β=1−x(1−x)2+y2. 再由正弦定理 sin⁡(α+β)=sin⁡β2AM=2y(x+1)2+y2(x−1)2+y2, 于是条件式变为 x+1(x+1)2+y2+1−x(1−x)2+y2=2ky[(x+1)2+y2][(x−1)2+y2]⇒(x+1)(x−1)2+y2+(1−x)(x+1)2+y2=2ky⇒(x+1)(x−1)2+y2=2ky+(x−1)(x+1)2+y2⇒(x+1)2y2=4k2y2+(x−1)2y2+4ky(x−1)(x+1)2+y2⇒(x−k2)y=k(x−1)(x+1)2+y2⇒(x2+k4)y2=k2(x2−1)2+k2(x2+1)y2, 于是 y2=k2(x2−1)2(k2−1)(k2−x2).
  2. 解 记 t=k2−x2∈(0,k2]. 则 x2+y2=x2+k2(x2−1)2(k2−1)t=k2−t+k2[(k2−1)−t]2(k2−1)t=1k2−1t+k2(k2−1)t−k2. 下面需要判断极值点 k(k2−1) 和 t 的上界 k2 的大小关系, 分界点位 k=1+52, 于是 f(k)={2k−k2,k∈(1,1+52],1k2−1,k∈(1+52,+∞).
  3. 证明 由 2 得 f(2)+⋯+f(n)=∑i=2n1i2−1=12∑i=2n(1i−1−1i+1)=12(1+12−1n−1n+1)<34.