在平面直角坐标系xOyxOy中,以OO为极点,xx轴非负半轴为极轴建立坐标系,曲线MM的极坐标方程为ρ=4cos⁡θρ=4\cos θ,直线ll的参数方程为{y=tsin⁡αx=m+tcos⁡α(t \begin{cases} \overset{x=m+t\cos \alpha }{y=t\sin \alpha }\end{cases}(t为参数,0⩽α<π)0\leqslant α < π),射线θ=φθ=φ,θ=φ+π4,θ=φ−π4θ=φ+ \dfrac {π}{4},θ=φ- \dfrac {π}{4}与曲线MM交于AA,BB,CC三点((异于OO点)(I))(I)求证:∣OB∣+∣OC∣=2∣OA∣|OB|+|OC|= \sqrt {2}|OA|; (II)(II)当φ=π12φ= \dfrac {π}{12}时,直线ll经过BB,CC两点,求mm与αα的值.

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完整解法

(I)

1. 写出 $A, B, C$ 三点的极径表达式

由极坐标方程 ρ=4cos⁡θ\rho = 4\cos\theta 及 A,B,CA, B, C 的极角,可得:
∣OA∣=4cos⁡φ|OA| = 4\cos\varphi
∣OB∣=4cos⁡(φ+π4)|OB| = 4\cos\left(\varphi + \dfrac{\pi}{4}\right)
∣OC∣=4cos⁡(φ−π4)|OC| = 4\cos\left(\varphi - \dfrac{\pi}{4}\right)

2. 利用和差化积或两角和与差的余弦公式化简 $|OB| + |OC|$

因为 cos⁡(φ+π4)+cos⁡(φ−π4)=2cos⁡φcos⁡π4=2cos⁡φ\cos\left(\varphi + \dfrac{\pi}{4}\right) + \cos\left(\varphi - \dfrac{\pi}{4}\right) = 2\cos\varphi\cos\dfrac{\pi}{4} = \sqrt{2}\cos\varphi,
所以 ∣OB∣+∣OC∣=4[cos⁡(φ+π4)+cos⁡(φ−π4)]=4×2cos⁡φ=42cos⁡φ|OB| + |OC| = 4\left[\cos\left(\varphi + \dfrac{\pi}{4}\right) + \cos\left(\varphi - \dfrac{\pi}{4}\right)\right] = 4 \times \sqrt{2}\cos\varphi = 4\sqrt{2}\cos\varphi。

3. 完成证明

由于 ∣OA∣=4cos⁡φ|OA| = 4\cos\varphi,所以 ∣OB∣+∣OC∣=2(4cos⁡φ)=2∣OA∣|OB| + |OC| = \sqrt{2}(4\cos\varphi) = \sqrt{2}|OA|。得证。

答案

证明见步骤。

(II)

1. 求当 $\varphi = \dfrac{\pi}{12}$ 时,点 $B$ 和 $C$ 的极坐标

当 φ=π12\varphi = \dfrac{\pi}{12} 时,
BB 的极角 θB=φ+π4=π12+π4=π3\theta_B = \varphi + \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{\pi}{12} + \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{\pi}{3},极径 ρB=4cos⁡π3=2\rho_B = 4\cos\dfrac{\pi}{3} = 2;
CC 的极角 θC=φ−π4=π12−π4=−π6\theta_C = \varphi - \dfrac{\pi}{4} = \dfrac{\pi}{12} - \dfrac{\pi}{4} = -\dfrac{\pi}{6},极径 ρC=4cos⁡(−π6)=23\rho_C = 4\cos\left(-\dfrac{\pi}{6}\right) = 2\sqrt{3}。
即 B(2,π3)B\left(2, \dfrac{\pi}{3}\right),C(23,−π6)C\left(2\sqrt{3}, -\dfrac{\pi}{6}\right)。

2. 将 $B, C$ 两点的极坐标转换为直角坐标

利用直角坐标与极坐标的转换公式 x=ρcos⁡θ,y=ρsin⁡θx = \rho\cos\theta, y = \rho\sin\theta:
对于 BB:xB=2cos⁡π3=1x_B = 2\cos\dfrac{\pi}{3} = 1,yB=2sin⁡π3=3y_B = 2\sin\dfrac{\pi}{3} = \sqrt{3},得 B(1,3)B(1, \sqrt{3});
对于 CC:xC=23cos⁡(−π6)=3x_C = 2\sqrt{3}\cos\left(-\dfrac{\pi}{6}\right) = 3,yC=23sin⁡(−π6)=−3y_C = 2\sqrt{3}\sin\left(-\dfrac{\pi}{6}\right) = -\sqrt{3},得 C(3,−3)C(3, -\sqrt{3})。

3. 求出直线 $BC$ 的斜率及方程

直线 BCBC 的斜率 k=−3−33−1=−3k = \dfrac{-\sqrt{3} - \sqrt{3}}{3 - 1} = -\sqrt{3}。
直角坐标方程为:y−3=−3(x−1)y - \sqrt{3} = -\sqrt{3}(x - 1),整理得 3x+y−23=0\sqrt{3}x + y - 2\sqrt{3} = 0。

4. 对比参数方程确定 $m$ 和 $\alpha$ 的值

直线 ll 的参数方程为 {x=m+tcos⁡αy=tsin⁡α\begin{cases} x = m + t\cos\alpha \\ y = t\sin\alpha \end{cases},这表示直线经过点 (m,0)(m, 0),其倾斜角为 α\alpha。
因为斜率 k=−3k = -\sqrt{3} 且 0≤α<π0 \le \alpha < \pi,所以 tan⁡α=−3  ⟹  α=2π3\tan\alpha = -\sqrt{3} \implies \alpha = \dfrac{2\pi}{3}。
令 y=0y = 0 代入直角坐标方程 3x+y−23=0\sqrt{3}x + y - 2\sqrt{3} = 0,解得 x=2x = 2。
因此直线与 xx 轴的交点为 (2,0)(2, 0),从而 m=2m = 2。

答案

m=2m = 2, α=2π3\alpha = \dfrac{2\pi}{3}

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