本题导读

本题考查双曲线的标准方程与性质。核心在于点差法(双变元代数消元)、韦达定理法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2024年新高考II卷)已知双曲线 (),点 在 上, 为常数,.按照如下方式依次构造点 ():过 斜率为 的直线与 的左支交于点 ,令 为 关于 轴的对称点.记 的坐标为 .

(1) 若 ,求 ;

(2) 证明:数列 是公比为 的等比数列;

(3) 设 为 的面积,证明:对任意正整数 ,.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:代入 求出 。写出直线方程并与双曲线联立,解二元二次方程组找到左支交点 ,再利用对称性求 。
  2. 第二问(核心递推):
    • 几何关系转换: 与 对称。由于 和 在斜率为 的直线上,满足 。
    • 点差法:利用 均在双曲线上,通过平方差公式 建立坐标间的比例关系,消去 得到 的递推式。
  3. 第三问(面积定值):
    • 坐标参数化:设 ,则 。由此可将 表达为关于 的函数。
    • 面积公式:利用三角形面积的坐标表示公式 ,代入 (其中 ),验证 表达式与 无关。

✅【答案】

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(1) ,

(2) 证明见解析

(3) 证明见解析

✍【详细解析】

Abstract

(1)求解具体坐标 在上,

,解得,

过且斜率为的直线方程为,即,

联立,解得或,故,,

过斜率为的直线与的左支交于点,令为关于轴的对称点,

所以,;

(2)证明:等比数列

解法一:证明:,关于轴的对称点是,, ,,,都在同一条斜率为的直线上,; 则, ,都在双曲线上, \therefore$$\left\{\begin{array}{l}{{x}_{n}^{2}-{y}_{n}^{2}=9}\\ {{x}_{n-1}^{2}-{y}_{n-1}^{2}=9}\end{array}\right.,两式相减可得,, 而①,②, 则②①可得,, 则, \therefore$$\frac{x_n-y_n}{x_{n-1}-y_{n-1}}=\frac{1+k}{1-k},故数列是公比为的等比数列; 解法二:由于过且斜率为的直线为,与联立,得到方程. 展开即得,由于已经是直线和的公共点,故方程必有一根. 从而根据韦达定理,另一根, 相应的. 所以该直线与的不同于的交点为,而注意到的横坐标亦可通过韦达定理表示为,故一定在的左支上. 所以. 这就得到,. 所以 . 再由,就知道,所以数列是公比为的等比数列.

(3)证明:面积为定值

解法一:证明:要证:,只需先尝试,即先证, 记,,则, ,而,\therefore$$x_n+y_n=9t^{1-n},\therefore$$y_{n}=\frac{1}{2}(-t^{n-1}+9t^{1-n}), \therefore$$\frac{1}{{k}_{{P}_{n+1}{P}_{n+2}}}=\frac{x_{n+2}-x_{n+1}}{y_{n+2}-y_{n+1}}=\frac{y_{n+2}+t^{n+1}-y_{n+1}-t^{n}}{y_{n+2}-y_{n+1}}=1+\frac{2t^{n}(t-1)}{(-t^{n+1}9t^{-1-n})-(-t^{n}+9t^{-n})}=1+\frac{2t^{n}(t-1)}{(-9t^{-1-n}-t^{n})(t-1)}=1-\frac{2t^{n}}{9t^{-1-n}+t^{n}}, \therefore$$\frac{1}{{k}_{{P}_{n}{P}_{n+3}}}=\frac{y_{n+3}+t^{n+2}-y_{n}-t^{n-1}}{y_{n+3}-y_{n}}=1+\frac{2t^{n-1}(t^{3}-1)}{(-t^{n+2}+9t^{-2-n})-(-t^{n-1}+9t^{1-n})}=1+\frac{2t^{n-1}(t^{3}-1)}{(-9t^{-2-n}-t^{n-1})(t^{3}-1)}=1-\frac{2t^{n-1}}{9t^{-2-n}+t^{n-1}}=1-\frac{2t^{n}}{9t^{-1-n}+t^{n}}, \therefore$${k}_{{P}_{n+1}{P}_{n+2}}={k}_{{P}_{n}{P}_{n+3}}, , .

解法二:【山西省运城市张晓晓补解】要证:,只需先尝试,即先证, 记,由 (2)可得   由,\therefore$$x_n+y_n=9t^{1-n}, \therefore$$y_{n}=\frac{1}{2}(-t^{n-1}+9t^{1-n}), \therefore$${k}_{{P}_{n+1}{P}_{n+2}}={k}_{{P}_{n}{P}_{n+3}},,.

解法三:先证明:对平面上三个点[A,B,C],若,,则. 证明: . 记,由 (2)可得   由,\therefore$$x_n+y_n=9t^{1-n},\therefore$$y_{n}=\frac{1}{2}(-t^{n-1}+9t^{1-n}), 而有,, 这就表明的取值是与无关的定值,所以.

解法5

详细解答与证明

将点 代入双曲线方程 ,得: 故双曲线 的方程为 。

当 时,过点 且斜率为 的直线方程为:

代入双曲线方程 中:

解得:

  • ,此时 (对应点 );
  • ,此时 。

因此,直线与双曲线左支的交点为 。
点 为 关于 轴的对称点,故点 的坐标为 。

即 。

设 是双曲线右支上的点,过 斜率为 的直线方程为:

设 为该直线与双曲线 的交点,则 是关于 的一元二次方程的两个根。
消去 ,代入 :

由于 在双曲线上,满足 ,利用根与系数的关系(韦达定理):

两边同除以 (由于 ),得到:

代入直线方程求 :

因为 是 关于 轴的对称点,所以:

计算 :

已知 ,则 。
又因为 ,故 且为非零常数。

因此,数列 是首项为 ,公比为 的等比数列。

由第 (2) 问的递推关系式,从 到 的坐标变换关系可用矩阵表示为:

记此线性变换矩阵为 :

计算矩阵 的行列式 :

因为线性变换 的行列式满足 ,说明该坐标变换为等面积变换。

对三角形 的三个顶点分别施加变换 ,顶点分别映射至 ,从而得到三角形 。

由于等面积变换保持平面多边形的面积不变,故有:

因此,对任意正整数 ,均有 。

证毕。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:双曲线切线割线性质的离散化表达、点差法中齐次和差因式积的消去化简、等比数列通项公式的逆向参数置换、平面多边形坐标面积行列式的代数展开。
  2. 核心方法:等比不变量与几何平行转化。作为卷尾压轴题,若沿袭弦长公式与点线距离公式的硬算路径,多项式自由度过高,运算量难以控制。本题抓住 与 这对关系式,把两个动态变量化归为关于 的一元问题。第三问【解法一】进一步利用“共底等高则面积相等,等价于另一侧顶点连线与底边平行(斜率相等)”这一初等几何事实,绕开行列式展开,以简洁的代数结构完成论证。
  3. 避坑指南:
  • 避坑指南 1(第二问中直线与双曲线盲目联立引发多项式失控):部分同学在证明等比数列时,习惯性机械启动“联立-求导-韦达定理法”(即解析里的解法二)。虽然该路径属于普适通法,但在本题中直线方程带有复杂的未知下标 ,直接展开会导致判别式和根系极其臃肿。考场上当看到双曲线或椭圆方程为严格无交叉项的平方差/和构型(如 ),且涉及前后两点关联时,脑海中的第一第一反应必须是点差法!点差法能通过平方差因式分解瞬间分离出 ,比韦达定理提速至少 3 倍。
  • 避坑指南 2(第三问有理化约简时看错符号):在利用解法一计算斜率 时,分式负幂次项在分子分母提取公因式的过程中,容易把 错看成 ,使算出的斜率多出一个负号,无法与后一项完成平行的论证。卷尾大题中,每个因式的符号提取都要逐项核对。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题是“解析几何 + 数列”的交叉新定义题。其核心结构是点差法:对 两端作平方差分解,配合斜率给定的迭代直线,即可分离出 的递推关系,得到坐标差成等比数列。命题将数列的递推思想嵌入双曲线的几何迭代之中,考查考生在陌生情境下提炼结构与转化问题的能力。
  2. 结论推广:对双曲线 与斜率为 ()的迭代直线,点列坐标差 恒成等比数列,公比 ,即 这一不变量只由直线斜率决定,与初始点无关;推广到一般双曲线 时,坐标差(换元后)仍成等比,公比由斜率与 共同决定。

🔗【关联脉络】

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