已知 $\angle AOB=\theta$($\theta$ 为常数且 $0<\theta <\dfrac {\pi}{2}$),动点 $P$,$Q$ 分别在射线 $OA$,$OB$ 上使得 $\triangle POQ$ 的面积恒为 $36$.设 $\triangle POQ$ 的重心为 $G$,点 $M$ 在射线 $OG$ 上,且满足 $|OM|=\dfrac 32|OG|$.
【难度】
【出处】
2010年全国高中数学联赛河南省预赛
【标注】
  1. 求 $|OG|$ 的最小值;
    标注
    答案
    $4\sqrt {\dfrac{\theta}{2}}$
    解析
    以 $O$ 为原点,$\angle AOB$ 的平分线为 $x$ 轴建立直角坐标系 $xOy$,则可设$$P\left(a\cos \dfrac {\theta}{2},a\sin \dfrac {\theta}{2}\right) , Q\left(b\cos \dfrac {\theta}{2},-b\sin \dfrac {\theta}{2}\right),$$于是 $\triangle OPQ$ 的重心 $G(x_G,y_G)$ 的坐标为\[\begin{split}x_G&=\dfrac 13\left(a\cos \dfrac {\theta}{2}+ b\cos \dfrac {\theta}{2}+0\right)=\dfrac 13(a+b)\cos \dfrac {\theta}{2},\\y_G&=\dfrac 13\left(a\sin \dfrac {\theta}{2}- b\sin \dfrac {\theta}{2}+0\right)=\dfrac 13(a-b)\sin \dfrac {\theta}{2},\end{split}\]因此\[\begin{split}|OG|^2&=x_G^2+y_G^2\\ &=\dfrac 19(a^2+b^2)+\dfrac 29ab\left(\cos^2 \dfrac {\theta}{2}- \sin^2 \dfrac {\theta}{2}\right)\\&=\dfrac 19(a^2+b^2)+\dfrac 29ab\cos \theta \\&\geqslant \dfrac 19 \cdot 2ab+\dfrac 29ab\cos \theta \\&=\dfrac 49ab\cos^2\dfrac{ \theta}{2}. \end{split}\]已知$$S_{\triangle OPQ}=\dfrac 12ab\sin \theta=36,$$所以$$ab=\dfrac {72}{\sin \theta},$$于是\[\begin{split}|OG| &\geqslant \sqrt {\dfrac 49\cdot \dfrac {72}{\sin \theta}\cdot \cos^2\dfrac{ \theta}{2}}\\&= \sqrt {16\cot \dfrac{\theta}{2}}=4\sqrt {\cot \dfrac{\theta}{2}},\end{split}\]当 $a=b=\sqrt {\dfrac {72}{\sin \theta}}$ 时等号成立.
    故 $|OG|_{\min}=4\sqrt {\dfrac{\theta}{2}}$.
  2. 求动点 $M$ 的轨迹方程.
    标注
    答案
    $\dfrac{x^2}{36\cot \dfrac {\theta}{2}}-\dfrac{y^2}{36\tan \dfrac {\theta}{2}}=1(x>0)$
    解析
    设 $M(x,y)$,则由 $|OM|=\dfrac 32|OG|$ 得\[\begin{split}x&=\dfrac 32x_G=\dfrac 12(a+b)\cos \dfrac {\theta}{2}>0,\\ y&=\dfrac 32y_G =\dfrac 12(a-b)\sin\dfrac {\theta}{2},\end{split}\]于是$$\begin{split}a&=\dfrac {x}{\cos \dfrac {\theta}{2}}+\dfrac {y}{\sin \dfrac {\theta}{2}},\\b&=\dfrac {x}{\cos \dfrac {\theta}{2}}-\dfrac {y}{\sin \dfrac {\theta}{2}},\end{split}$$代入 $ab=\dfrac {72}{\sin \theta}$,并整理得$$\dfrac{x^2}{36\cot \dfrac {\theta}{2}}-\dfrac{y^2}{36\tan \dfrac {\theta}{2}}=1(x>0),$$这就是所求动点 $M$ 的轨迹方程.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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