(本小题满分 14 分) 已知曲线 C_ n : y=n…——2010 高考数学第 19 题答案解析

2010_退役省自主命题 (2010·文)

2010 ?? 第 19 题 解答题 区分题
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21.(本小题满分 14 分)
已知曲线 $C_{n}: y=n x^{2}$ ,点 $P_{n}\left(x_{n}, y_{n}\right)\left(x_{n}>0, y_{n}>0\right)$ 是曲线 $C_{n}$ 上的点 $(n=1,2, \ldots)$ ,
(1)试写出曲线 $C_{n}$ 在 $P_{n}$ 点处的切线 $l_{n}$ 的方程,并求出 $l_{n}$ 与 $y$ 轴的交点 $Q_{n}$ 的坐标;
(2)若原点 $O(0,0)$ 到 $l_{n}$ 的距离与线段 $P_{n} Q_{n}$ 的长度之比取得最大值,试求点 $P_{n}$ 的坐标 $\left(x_{n}, y_{n}\right)$ ;
③设 $m$ 与 $k$ 为两个给定的不同的正整数,$x_{n}$ 与 $y_{n}$ 是满足(2)中条件的点 $P_{n}$ 的坐标,

证明:$\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{(m+1) x_{n}}{2}}-\sqrt{(k+1) y_{n}}\right|<|\sqrt{m s}-\sqrt{k s}|(s=1,2, \ldots)$ .

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解:
①$\because y^{\prime}=2 n x \therefore k=2 n x_{n}$
切线 $l_{n}$ 的方程:$y-y_{n}=2 n x_{n}\left(x-x_{n}\right)$
令 $x=0$ 得 $y=-2 n x_{n}^{2}+y_{n}=-2 n x_{n}^{2}+n x_{n}^{2}=-n x_{n}^{2}$ ,即 $Q_{n}\left(0,-n x_{n}^{2}\right)$
(2)切线方程可写成: $2 n x_{n} x-y-2 n x_{n}^{2}+y_{n}=0$
$d=\frac{\left|y_{n}-2 n x_{n}^{2}\right|}{\sqrt{\left(2 n x_{n}\right)^{2}+1}}=\frac{n x_{n}^{2}}{\sqrt{4 n^{2} x_{n}^{2}+1}}$
$\left|P_{n} Q_{n}\right|=\sqrt{x_{n}^{2}+\left(2 n x_{n}^{2}\right)^{2}}=x_{n} \sqrt{1+4 n^{2} x_{n}^{2}}$
$\frac{d}{\left|P_{n} Q_{n}\right|}=\frac{n x_{n}}{1+4 n^{2} x_{n}^{2}}=\frac{1}{\frac{1}{n x_{n}}+4 n x_{n}} \leq \frac{1}{4}$

当且仅当 $\frac{1}{n x_{n}}=4 n x_{n}$ ,即 $x_{n}=\frac{1}{2 n}$ 时取"$=$"

此时 $y_{n}=n x_{n}^{2}=\frac{1}{4 n}$
点 $P_{n}$ 的坐标为 $\left(\frac{1}{2 n}, \frac{1}{4 n}\right)$
.③$\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{(m+1) x_{n}}{2}}-\sqrt{(k+1) y_{n}}\right|=\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{m+1_{n}}{4 n}}-\sqrt{\frac{k+1}{4 n}}\right|$

$$ =\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{m+1_{n}}{4 n}}-\sqrt{\frac{k+1}{4 n}}\right|=|\sqrt{m+1}-\sqrt{k+1}| \cdot \sum_{n=1}^{s} \frac{1}{2 \sqrt{n}} $$

要证 $\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{(m+1) x_{n}}{2}}-\sqrt{(k+1) y_{n}}\right|<|\sqrt{m s}-\sqrt{k s}|(s=1,2, \ldots)$
即 $|\sqrt{m+1}-\sqrt{k+1}| \cdot \sum_{n=1}^{s} \frac{1}{2 \sqrt{n}}<\sqrt{s}|\sqrt{m}-\sqrt{k}|$
$\because \frac{1}{\sqrt{s}}<\frac{2}{\sqrt{s}+\sqrt{s-1}}=2(\sqrt{s}-\sqrt{s-1})$
故有
$\sum_{n=1}^{s} \frac{1}{2 \sqrt{n}}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\sqrt{1}}+\frac{1}{\sqrt{2}}+\ldots+\frac{1}{\sqrt{s}}\right)<(1-0)+(\sqrt{2}-1)+\ldots+(\sqrt{s}-\sqrt{s-1})=\sqrt{s}$
又 $\because|\sqrt{m+1}-\sqrt{k+1}|<|\sqrt{m}-\sqrt{k}|$ 恒成立
所以有 $|\sqrt{m+1}-\sqrt{k+1}| \cdot \sum_{n=1}^{s} \frac{1}{2 \sqrt{n}}<\sqrt{s}|\sqrt{m}-\sqrt{k}|$ 恒成立
即:$\sum_{n=1}^{s}\left|\sqrt{\frac{(m+1) x_{n}}{2}}-\sqrt{(k+1) y_{n}}\right|<|\sqrt{m s}-\sqrt{k s}|(s=1,2, \ldots)$

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