设复平面上点对应的复数z=x+yi(x∈R,y∈R)(iz=x+yi(x∈R,y∈R)(i为虚数单位))满足∣z+2∣+∣z−2∣=6|z+2|+|z-2|=6,点ZZ的轨迹方程为曲线C1.C_{1}.双曲线C2C_{2}:x2−y2n=1x^{2}- \dfrac {y^{2}}{n}=1与曲线C1C_{1}有共同焦点,倾斜角为π4 \dfrac {π}{4}的直线ll与双曲线C2C_{2}的两条渐近线的交点是AA、BB,OA→⋅OB→=2 \overrightarrow{OA}\cdot \overrightarrow{OB}=2,OO为坐标原点. (1)求点ZZ的轨迹方程C1C_{1}; (2)求直线ll的方程; (3)设△PQR\triangle PQR三个顶点在曲线C1C_{1}上,求证:当OO是△PQR\triangle PQR重心时,△PQR\triangle PQR的面积是定值.

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完整解法

(1)

1. 将复数模长的几何条件转化为点到两焦点的距离和

由复数 z=x+yiz=x+yi 满足 ∣z+2∣+∣z−2∣=6|z+2|+|z-2|=6,在复平面上,设点 ZZ 的坐标为 (x,y)(x, y),则 ∣z+2∣|z+2| 表示点 ZZ 到 F1(−2,0)F_1(-2,0)的距离,∣z−2∣|z-2| 表示点 ZZ 到 F2(2,0)F_2(2,0)的距离。
因此,点 ZZ 到两定点 F1(−2,0)F_1(-2,0) 和 F2(2,0)F_2(2,0) 的距离之和为 66。

2. 确定椭圆的参数并写出轨迹方程

由于距离之和 2a=6>∣F1F2∣=42a = 6 > |F_1F_2| = 4,根据椭圆定义,点 ZZ 的轨迹为以 F1,F2F_1, F_2 为焦点的椭圆。
其中 a=3a = 3,c=2c = 2。
因为 b2=a2−c2=9−4=5b^2 = a^2 - c^2 = 9 - 4 = 5,
所以点 ZZ 的轨迹方程 C1C_1 为:x29+y25=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1。

答案

点 ZZ 的轨迹方程 C1C_1 为:x29+y25=1\dfrac{x^2}{9} + \dfrac{y^2}{5} = 1

(2)

1. 由同焦点的性质确定双曲线方程及其渐近线方程

因为双曲线 C2:x2−y2n=1C_2: x^2 - \dfrac{y^2}{n} = 1 与椭圆 C1C_1 有共同焦点,
所以双曲线的半焦距平方 c2=a2+b2=1+n=4c^2 = a^2 + b^2 = 1 + n = 4,解得 n=3n = 3。
故双曲线 C2C_2 的方程为 x2−y23=1x^2 - \dfrac{y^2}{3} = 1,其渐近线方程为 y=±3xy = \pm \sqrt{3}x。

2. 联立直线方程与渐近线方程求交点 A, B 的坐标

已知直线 ll 的倾斜角为 π4\dfrac{\pi}{4},则其斜率为 tan⁡π4=1\tan\dfrac{\pi}{4} = 1。
设直线 ll 的方程为 y=x+ty = x + t。
联立 {y=3xy=x+t\begin{cases} y = \sqrt{3}x \\ y = x+t \end{cases},解得 A(t3−1,3t3−1)A\left(\dfrac{t}{\sqrt{3}-1}, \dfrac{\sqrt{3}t}{\sqrt{3}-1}\right);
联立 {y=−3xy=x+t\begin{cases} y = -\sqrt{3}x \\ y = x+t \end{cases},解得 B(−t3+1,3t3+1)B\left(\dfrac{-t}{\sqrt{3}+1}, \dfrac{\sqrt{3}t}{\sqrt{3}+1}\right)。

3. 根据向量数量积求出参数并得出直线方程

由 OA→⋅OB→=2\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = 2,得 xAxB+yAyB=2x_A x_B + y_A y_B = 2。
代入坐标计算:
xAxB=−t2(3−1)(3+1)=−t22x_A x_B = \dfrac{-t^2}{(\sqrt{3}-1)(\sqrt{3}+1)} = -\dfrac{t^2}{2},
yAyB=3t2(3−1)(3+1)=3t22y_A y_B = \dfrac{3t^2}{(\sqrt{3}-1)(\sqrt{3}+1)} = \dfrac{3t^2}{2}。
所以 OA→⋅OB→=−t22+3t22=t2=2\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = -\dfrac{t^2}{2} + \dfrac{3t^2}{2} = t^2 = 2,解得 t=±2t = \pm \sqrt{2}。
因此,直线 ll 的方程为 y=x±2y = x \pm \sqrt{2}。

答案

直线 ll 的方程为 y=x±2y = x \pm \sqrt{2}

(3)

1. 引入参数并利用重心性质列出代数等式

设椭圆 C1C_1 上三点 P,Q,RP, Q, R 的参数坐标分别为:
P(3cos⁡θ1,5sin⁡θ1)P(3\cos\theta_1, \sqrt{5}\sin\theta_1),Q(3cos⁡θ2,5sin⁡θ2)Q(3\cos\theta_2, \sqrt{5}\sin\theta_2),R(3cos⁡θ3,5sin⁡θ3)R(3\cos\theta_3, \sqrt{5}\sin\theta_3),其中 θ1,θ2,θ3∈[0,2π)\theta_1, \theta_2, \theta_3 \in [0, 2\pi)。
因为坐标原点 OO 是 △PQR\triangle PQR 的重心,
根据重心坐标公式得:
{3cos⁡θ1+3cos⁡θ2+3cos⁡θ3=05sin⁡θ1+5sin⁡θ2+5sin⁡θ3=0\begin{cases} 3\cos\theta_1 + 3\cos\theta_2 + 3\cos\theta_3 = 0 \\ \sqrt{5}\sin\theta_1 + \sqrt{5}\sin\theta_2 + \sqrt{5}\sin\theta_3 = 0 \end{cases},
即 {cos⁡θ1+cos⁡θ2+cos⁡θ3=0sin⁡θ1+sin⁡θ2+sin⁡θ3=0\begin{cases} \cos\theta_1 + \cos\theta_2 + \cos\theta_3 = 0 \\ \sin\theta_1 + \sin\theta_2 + \sin\theta_3 = 0 \end{cases}。

2. 求两个顶点参数角差值的正弦值

由等式移项得:
cos⁡θ1+cos⁡θ2=−cos⁡θ3\cos\theta_1 + \cos\theta_2 = -\cos\theta_3
sin⁡θ1+sin⁡θ2=−sin⁡θ3\sin\theta_1 + \sin\theta_2 = -\sin\theta_3
两式两边分别平方相加:
(cos⁡θ1+cos⁡θ2)2+(sin⁡θ1+sin⁡θ2)2=cos⁡2θ3+sin⁡2θ3(\cos\theta_1 + \cos\theta_2)^2 + (\sin\theta_1 + \sin\theta_2)^2 = \cos^2\theta_3 + \sin^2\theta_3
整理得:
2+2(cos⁡θ1cos⁡θ2+sin⁡θ1sin⁡θ2)=1  ⟹  2+2cos⁡(θ1−θ2)=1  ⟹  cos⁡(θ1−θ2)=−122 + 2(\cos\theta_1\cos\theta_2 + \sin\theta_1\sin\theta_2) = 1 \implies 2 + 2\cos(\theta_1 - \theta_2) = 1 \implies \cos(\theta_1 - \theta_2) = -\dfrac{1}{2}。
同理可得 cos⁡(θ2−θ3)=−12\cos(\theta_2 - \theta_3) = -\dfrac{1}{2},cos⁡(θ3−θ1)=−12\cos(\theta_3 - \theta_1) = -\dfrac{1}{2}。
由此可知三点对应的参数角之间两两之差满足 ∣θ1−θ2∣=2π3|\theta_1 - \theta_2| = \dfrac{2\pi}{3}(或 4π3\dfrac{4\pi}{3})。
故 ∣sin⁡(θ1−θ2)∣=32|\sin(\theta_1 - \theta_2)| = \dfrac{\sqrt{3}}{2}。

3. 利用面积分解法和坐标公式证明面积为定值

因为 OO 是 △PQR\triangle PQR 的重心,
所以 S△PQR=3S△OPQS_{\triangle PQR} = 3 S_{\triangle OPQ}。
而 S△OPQ=12∣xPyQ−xQyP∣=12∣3cos⁡θ1⋅5sin⁡θ2−3cos⁡θ2⋅5sin⁡θ1∣S_{\triangle OPQ} = \dfrac{1}{2} |x_P y_Q - x_Q y_P| = \dfrac{1}{2} |3\cos\theta_1 \cdot \sqrt{5}\sin\theta_2 - 3\cos\theta_2 \cdot \sqrt{5}\sin\theta_1|
=352∣sin⁡(θ2−θ1)∣= \dfrac{3\sqrt{5}}{2} |\sin(\theta_2 - \theta_1)|。
代入 ∣sin⁡(θ2−θ1)∣=32|\sin(\theta_2 - \theta_1)| = \dfrac{\sqrt{3}}{2},得:
S△OPQ=352×32=3154S_{\triangle OPQ} = \dfrac{3\sqrt{5}}{2} \times \dfrac{\sqrt{3}}{2} = \dfrac{3\sqrt{15}}{4}。
因此 S△PQR=3×3154=9154S_{\triangle PQR} = 3 \times \dfrac{3\sqrt{15}}{4} = \dfrac{9\sqrt{15}}{4}。
这是一个常数,即为定值。

答案

当 OO 是 △PQR\triangle PQR 重心时,△PQR\triangle PQR 的面积是定值 9154\dfrac{9\sqrt{15}}{4}

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