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    高考数学专题练 专题六解析几何 微专题40 最值、范围问题(含答案)

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    这是一份高考数学专题练 专题六解析几何 微专题40 最值、范围问题(含答案),共13页。


    典例1 (2023·全国甲卷)已知直线x-2y+1=0与抛物线C:y2=2px(p>0)交于A,B两点,|AB|=4eq \r(15).
    (1)求p;
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    (2)设F为C的焦点,M,N为C上两点,eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,求△MFN面积的最小值.
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    典例2 (2023·临汾模拟)已知点F1,F2是双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P是C右支上一点,△F1F2P的周长为18,I为△F1F2P的内心,且满足 =2∶3∶4.
    (1)求双曲线C的标准方程;
    (2)过F2的直线l与双曲线的右支交于M,N两点,与y轴交于点Q,满足eq \(QM,\s\up6(→))=meq \(MF2,\s\up6(—→)),eq \(QN,\s\up6(→))=neq \(NF2,\s\up6(—→))(其中m>0),求eq \f(|MF2|,|NF2|)的取值范围.
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    [总结提升]
    解决圆锥曲线中的最值与范围问题,一般有两种方法:一是几何法,若题目的条件和结论有明显的几何特征,可考虑利用圆锥曲线的定义和图象的有关性质求解;二是代数法,先根据条件列出目标函数,然后根据函数表达式的特征选用适当的方法求出最值或值域.求解范围、最值问题的常见方法:(1)利用判别式来构造不等关系.(2)利用已知参数的范围,在两个参数之间建立函数关系.(3)利用隐含或已知的不等关系建立不等式.(4)利用基本不等式.
    1.(2023·佛山模拟)双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左顶点为A,焦距为4,过右焦点F作垂直于x轴的直线交C于B,D两点,且△ABD是直角三角形.
    (1)求双曲线C的方程;
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    (2)M,N是C右支上的两动点,设直线AM,AN的斜率分别为k1,k2,若k1k2=-2,求点A到直线MN的距离d的取值范围.
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    2.(2023·温州模拟)如图,斜率为k的直线交抛物线x2=4y于A,B两点,已知点B的横坐标比点A的横坐标大4,直线y=-kx+1交线段AB于点R,交抛物线于点P,Q.
    (1)若点A的横坐标为0,求|PQ|的值;
    (2)求|PR|·|QR|的最大值.
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    3.(2023·厦门质检)已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的上顶点为M(0,2),右顶点为N,直线MN的斜率为-eq \f(\r(3),3),A,B,C,D是椭圆上4个点(异于点M),AB∥CD,直线MA与MB的斜率之积为-eq \f(1,3),直线MC与MD的斜率之和为1.
    (1)证明:A,B关于原点对称;
    (2)求直线AB与CD之间的距离的取值范围.
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    微专题40 最值、范围问题
    [考情分析] 圆锥曲线的综合问题是高考考查的重点内容,范围、最值问题是常见的热点题型,常以解答题的形式压轴出现,难度较大.
    考点一 圆锥曲线的最值问题
    典例1 (2023·全国甲卷)已知直线x-2y+1=0与抛物线C:y2=2px(p>0)交于A,B两点,|AB|=4eq \r(15).
    (1)求p;
    (2)设F为C的焦点,M,N为C上两点,eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,求△MFN面积的最小值.
    解 (1)设A(xA,yA),B(xB,yB),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x-2y+1=0,,y2=2px,))可得y2-4py+2p=0,
    所以yA+yB=4p,yAyB=2p,
    所以|AB|=eq \r(5)×eq \r(yA+yB2-4yAyB)=4eq \r(15),
    即2p2-p-6=0,解得p=2(负值舍去).
    (2)由(1)知y2=4x,
    所以焦点F(1,0),显然直线MN的斜率不可能为零,
    设直线MN:x=my+n,M(x1,y1),N(x2,y2),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y2=4x,,x=my+n,))可得y2-4my-4n=0,
    所以y1+y2=4m,y1y2=-4n,
    Δ=16m2+16n>0⇒m2+n>0,
    因为eq \(FM,\s\up6(→))·eq \(FN,\s\up6(→))=0,eq \(FM,\s\up6(→))=(x1-1,y1),eq \(FN,\s\up6(→))=(x2-1,y2),
    所以(x1-1)(x2-1)+y1y2=0,
    即(my1+n-1)(my2+n-1)+y1y2=0,
    即(m2+1)y1y2+m(n-1)(y1+y2)+(n-1)2=0,
    将y1+y2=4m,y1y2=-4n代入得,4m2=n2-6n+1,
    所以4(m2+n)=(n-1)2>0,
    所以n≠1,且n2-6n+1≥0,
    解得n≥3+2eq \r(2)或n≤3-2eq \r(2).
    设点F到直线MN的距离为d,
    所以d=eq \f(|n-1|,\r(1+m2)),
    |MN|=eq \r(1+m2)eq \r(y1+y22-4y1y2)
    =eq \r(1+m2)eq \r(16m2+16n)
    =eq \r(1+m2)eq \r(4n2-6n+1+16n)
    =2eq \r(1+m2)|n-1|,
    所以△MFN的面积
    S=eq \f(1,2)×|MN|×d=eq \f(1,2)×2eq \r(1+m2)|n-1|×eq \f(|n-1|,\r(1+m2))=(n-1)2,
    而n≥3+2eq \r(2)或n≤3-2eq \r(2),
    所以当n=3-2eq \r(2)时,△MFN的面积最小,为Smin=(2-2eq \r(2))2=12-8eq \r(2)=4(3-2eq \r(2)).
    跟踪训练1 (2023·齐齐哈尔模拟)设椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,O为坐标原点,椭圆C的离心率为eq \f(\r(3),2).
    (1)若椭圆C的上顶点为W,且△WF1F2的面积为9eq \r(3),求椭圆C的标准方程;
    (2)设过椭圆C的内部点P(1,0)且斜率为keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0解 (1)由椭圆C的离心率为eq \f(\r(3),2)且△WF1F2的面积为9eq \r(3),
    可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(c,a)=\r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b,a)))2)=\f(\r(3),2),,\f(1,2)×2c×b=9\r(3),,a2=b2+c2,))
    解得a=6,b=3,c=3eq \r(3),
    所以椭圆C的标准方程为eq \f(x2,36)+eq \f(y2,9)=1.
    (2)由椭圆C的离心率为eq \f(\r(3),2),可得eq \f(c,a)=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b,a)))2)=eq \f(\r(3),2),可得a=2b,
    则椭圆C的方程为eq \f(x2,4b2)+eq \f(y2,b2)=1(b>0),
    因为点P(1,0)在椭圆内,可得eq \f(1,4b2)+eq \f(0,b2)<1,解得b2>eq \f(1,4),
    设M(x1,y1),N(x2,y2),直线l的方程为y=k(x-1),
    联立方程组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx-1,,\f(x2,4b2)+\f(y2,b2)=1,))
    整理得(1+4k2)x2-8k2x+4(k2-b2)=0,
    则x1+x2=eq \f(8k2,1+4k2),y1+y2=k(x1+x2-2)=eq \f(-2k,1+4k2).
    设Q(x0,y0),因为eq \(OM,\s\up6(→))+eq \(ON,\s\up6(→))=eq \(OQ,\s\up6(→)),
    所以x0=eq \f(8k2,1+4k2),y0=eq \f(-2k,1+4k2),
    所以Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(8k2,1+4k2),\f(-2k,1+4k2))),
    将点Q坐标代入椭圆C的方程得b2=eq \f(4k2,1+4k2)=eq \f(4k2+1-1,1+4k2)=1-eq \f(1,1+4k2),
    显然,随着k的增大,b在增大,
    又因为0考点二 圆锥曲线的范围问题
    典例2 (2023·临汾模拟)已知点F1,F2是双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P是C右支上一点,△F1F2P的周长为18,I为△F1F2P的内心,且满足=2∶3∶4.
    (1)求双曲线C的标准方程;
    (2)过F2的直线l与双曲线的右支交于M,N两点,与y轴交于点Q,满足eq \(QM,\s\up6(→))=meq \(MF2,\s\up6(—→)),eq \(QN,\s\up6(→))=neq \(NF2,\s\up6(—→))(其中m>0),求eq \f(|MF2|,|NF2|)的取值范围.
    解 (1)设△PF1F2内切圆半径为r,
    由题意得=eq \f(1,2)|PF2|·r,=eq \f(1,2)|F1F2|·r,=eq \f(1,2)|PF1|·r.
    所以=|PF2|∶|F1F2|∶|PF1|=2∶3∶4,
    因为△PF1F2的周长为18,
    所以|PF2|=4,|PF1|=8,|F1F2|=6,
    所以2a=|PF1|-|PF2|=4,2c=6,
    所以a2=4,b2=c2-a2=9-4=5,
    所以双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-eq \f(y2,5)=1.
    (2)由题知,直线l斜率存在且不为0,可设其方程为x=ty+3(t≠0),
    M(x1,y1),N(x2,y2),Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(-3,t))),
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=ty+3,,\f(x2,4)-\f(y2,5)=1,))
    整理得(5t2-4)y2+30ty+25=0,
    因为直线l与双曲线右支交于两点,则有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y1y2=\f(25,5t2-4)<0,,Δ=30t2-1005t2-4>0,,5t2-4≠0,))
    解得t2因为eq \(QM,\s\up6(→))=meq \(MF2,\s\up6(—→))(m>0),
    所以eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x1,y1+\f(3,t)))=m(3-x1,-y1),
    所以y1+eq \f(3,t)=m(-y1),即y1=eq \f(-3,tm+1),
    同理y2=eq \f(-3,tn+1),
    所以y1+y2=eq \f(-3,tm+1)+eq \f(-3,tn+1)=eq \f(-3,t)·eq \f(m+1+n+1,m+1n+1)=eq \f(-30t,5t2-4),①
    y1y2=eq \f(9,t2m+1n+1)=eq \f(25,5t2-4),②
    两式相除得(m+1)+(n+1)=eq \f(18,5).
    因为eq \f(|MF2|,|NF2|)=-eq \f(y1,y2)=-eq \f(n+1,m+1)=-eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\f(18,5)-m+1,m+1)))=1-eq \f(18,5)·eq \f(1,m+1),
    因为y1y2=eq \f(9,t2m+1n+1),
    又由y1y2<0,
    得eq \f(9,t2m+1n+1)<0,
    即(m+1)(n+1)<0,
    又因为(m+1)+(n+1)=eq \f(18,5),
    则(m+1)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(18,5)-m+1))<0,
    解得m<-1(舍去),或m>eq \f(13,5),
    所以0跟踪训练2 (2023·南通模拟)已知椭圆C1:eq \f(x2,2)+y2=1的左、右顶点是双曲线C2:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的顶点,C1的焦点到C2的渐近线的距离为eq \f(\r(3),3).直线l:y=kx+t与C2相交于A,B两点,eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=-3.
    (1)求证:8k2+t2=1;
    (2)若直线l与C1相交于P,Q两点,求|PQ|的取值范围.
    (1)证明 由题意得,椭圆焦点坐标为(1,0),双曲线渐近线方程为bx±ay=0,
    所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=\r(2),,\f(b,\r(b2+a2))=\f(\r(3),3),))
    解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=\r(2),,b=1,))
    所以C2的方程为eq \f(x2,2)-y2=1,
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+t,,x2-2y2=2,))
    消去y得(1-2k2)x2-4ktx-2t2-2=0,
    所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(1-2k2≠0,,Δ=16k2t2-41-2k2-2t2-2>0))
    得t2>2k2-1≠0,
    设A(x1,y1),B(x2,y2),
    则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x1+x2=\f(4kt,1-2k2),,x1x2=\f(-2t2-2,1-2k2),))
    所以eq \(OA,\s\up6(→))·eq \(OB,\s\up6(→))=x1x2+y1y2=x1x2+(kx1+t)(kx2+t)
    =(1+k2)x1x2+kt(x1+x2)+t2
    =(1+k2)eq \f(-2t2-2,1-2k2)+eq \f(4k2t2,1-2k2)+t2
    =-3,
    化简得8k2+t2=1,得证.
    (2)解 由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+t,,x2+2y2=2))消去x,
    得(1+2k2)x2+4ktx+2t2-2=0,
    所以Δ=16k2t2-4(1+2k2)(2t2-2)>0,
    即t2<2k2+1,
    结合t2>2k2-1≠0,8k2+t2=1,及k≠0,t2≥0,可得0设P(x3,y3),Q(x4,y4),
    则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x3+x4=\f(-4kt,1+2k2),,x3x4=\f(2t2-2,1+2k2),))
    所以(x3-x4)2=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(-4kt,1+2k2)))2-4×eq \f(2t2-2,1+2k2)=eq \f(-8t2-2k2-1,1+2k22)=eq \f(80k2,1+2k22),
    所以|PQ|2=(1+k2)(x3-x4)2=eq \f(80k21+k2,1+2k22),
    设λ=1+2k2,则k2=eq \f(λ-1,2),由0得λ∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(1,\f(5,4))),
    所以eq \f(1,λ2)∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(16,25),1)),
    所以|PQ|2=eq \f(80·\f(λ-1,2)·\f(λ+1,2),λ2)=20eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,λ2)))∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(36,5))),
    所以|PQ|的取值范围为eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(6\r(5),5))).
    [总结提升]
    解决圆锥曲线中的最值与范围问题,一般有两种方法:一是几何法,若题目的条件和结论有明显的几何特征,可考虑利用圆锥曲线的定义和图象的有关性质求解;二是代数法,先根据条件列出目标函数,然后根据函数表达式的特征选用适当的方法求出最值或值域.求解范围、最值问题的常见方法:(1)利用判别式来构造不等关系.(2)利用已知参数的范围,在两个参数之间建立函数关系.(3)利用隐含或已知的不等关系建立不等式.(4)利用基本不等式.
    1.(2023·佛山模拟)双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左顶点为A,焦距为4,过右焦点F作垂直于x轴的直线交C于B,D两点,且△ABD是直角三角形.
    (1)求双曲线C的方程;
    (2)M,N是C右支上的两动点,设直线AM,AN的斜率分别为k1,k2,若k1k2=-2,求点A到直线MN的距离d的取值范围.
    解 (1)依题意,∠BAD=90°,半焦距c=2,
    由|AF|=|BF|,得a+c=eq \f(b2,a),得a2+2a=22-a2,
    解得a=1(其中a=-2<0舍去),
    所以b2=c2-a2=4-1=3,
    故双曲线C的方程为x2-eq \f(y2,3)=1.
    (2)显然直线MN不可能与x轴平行,故可设直线MN的方程为x=my+n,
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x=my+n,,3x2-y2=3,))
    消去x整理得(3m2-1)y2+6mny+3(n2-1)=0,
    在条件eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3m2-1≠0,,Δ>0))下,设M(x1,y1),N(x2,y2),
    则y1+y2=-eq \f(6mn,3m2-1),y1y2=eq \f(3n2-1,3m2-1),
    由k1k2=-2,得y1y2+2(x1+1)(x2+1)=0,
    即y1y2+2(my1+n+1)(my2+n+1)=0,
    整理得(2m2+1)y1y2+2m(n+1)(y1+y2)+2(n+1)2=0,
    则3(n2-1)(2m2+1)-12m2n(n+1)+2(n+1)2(3m2-1)=0,
    化简可得n2-4n-5=0,解得n=5或n=-1(舍去),
    则直线MN的方程为x-my-5=0,得d=eq \f(6,\r(m2+1)),
    又M,N都在双曲线的右支上,所以y1y2<0,
    故有3m2-1<0,0≤m2此时1≤eq \r(m2+1)所以点A到直线MN的距离d的取值范围为(3eq \r(3),6].
    2.(2023·温州模拟)如图,斜率为k的直线交抛物线x2=4y于A,B两点,已知点B的横坐标比点A的横坐标大4,直线y=-kx+1交线段AB于点R,交抛物线于点P,Q.
    (1)若点A的横坐标为0,求|PQ|的值;
    (2)求|PR|·|QR|的最大值.
    解 (1)∵A(0,0),∴B(4,4),∴k=1.
    联立eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-x+1,,x2=4y,))得x2+4x-4=0,
    设P(x1,y1),Q(x2,y2),
    则x1x2=-4,x1+x2=-4,|PQ|=eq \r(1+-12)eq \r(x1+x22-4x1x2)=8.
    (2)设AB的方程为y=kx+b(k≠0),代入x2=4y,得x2-4kx-4b=0,
    Δ=16k2+16b>0,
    设A(xA,yA),B(xB,yB),
    则xAxB=-4b,xA+xB=4k,
    ∵xB-xA=eq \r(16k2+16b)=4,∴k2=1-b.
    设R(xR,yR),
    由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=kx+b,,y=-kx+1)),得xR=eq \f(1-b,2k)=eq \f(k,2),
    联立得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=-kx+1,,x2=4y))⇒x2+4kx-4=0,
    ∴x1+x2=-4k,x1x2=-4,
    则|PR|·|QR|=-(1+k2)(x1-xR)(x2-xR)
    =-(1+k2)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(x1x2-xRx1+x2+x\\al(2,R)))
    =-(1+k2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-4+2k2+\f(k2,4)))
    =-eq \f(9,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(k2-\f(7,18)))2+eq \f(625,144).
    ∴当k=±eq \f(\r(14),6)时,|PR|·|QR|取得最大值eq \f(625,144).
    3.(2023·厦门质检)已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的上顶点为M(0,2),右顶点为N,直线MN的斜率为-eq \f(\r(3),3),A,B,C,D是椭圆上4个点(异于点M),AB∥CD,直线MA与MB的斜率之积为-eq \f(1,3),直线MC与MD的斜率之和为1.
    (1)证明:A,B关于原点对称;
    (2)求直线AB与CD之间的距离的取值范围.
    (1)证明 由题意得b=2,-eq \f(b,a)=-eq \f(\r(3),3),则a=2eq \r(3),
    故椭圆方程为eq \f(x2,12)+eq \f(y2,4)=1,
    取椭圆下顶点为M′(0,-2),设A(x0,y0),则kMA·kM′A=eq \f(y0-2,x0)·eq \f(y0+2,x0)=eq \f(y\\al(2,0)-4,x\\al(2,0)),
    而eq \f(x\\al(2,0),12)+eq \f(y\\al(2,0),4)=1,则eq \f(y\\al(2,0)-4,x\\al(2,0))=-eq \f(1,3)=kMA·kMB,
    故kM′A=kMB,
    故M′A∥MB,由椭圆关于原点中心对称,可知A,B关于原点对称.
    (2)解 设直线CD的方程为y=kx+m,设C,D两点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),
    联立方程eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(x2,12)+\f(y2,4)=1,,y=kx+m,))
    消去y并整理得(3k2+1)x2+6kmx+3m2-12=0,
    则x1+x2=-eq \f(6km,3k2+1),x1x2=eq \f(3m2-12,3k2+1),
    又由kMC+kMD=1,有eq \f(y1-2,x1)+eq \f(y2-2,x2)=1,
    即eq \f(kx1+m-2,x1)+eq \f(kx2+m-2,x2)=1,
    整理得到2k+(m-2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,x1)+\f(1,x2)))=1,
    即2k+eq \f(m-2x1+x2,x1x2)=1,
    故2k-(m-2)×eq \f(6km,3m2-12)=1,可得m=4k-2,m≠0,故k≠eq \f(1,2),
    又由Δ=36k2m2-4(3k2+1)(3m2-12)>0,可得0由点M不在直线CD上,可得k≠1,故k的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,2)))∪eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),1))∪(1,4).
    直线AB与CD之间的距离,即原点O到CD的距离d=eq \f(|4k-2|,\r(k2+1)),
    设2k-1=t,t∈(-1,0)∪(0,1)∪(1,7),则k=eq \f(t+1,2),
    则d2=eq \f(4t2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(t+1,2)))2+1)=eq \f(16t2,t2+2t+5)=eq \f(16,\f(5,t2)+\f(2,t)+1)=eq \f(16,5\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,t)+\f(1,5)))2+\f(4,5)),
    故d2∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(196,17))),即所求范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(14\r(17),17))).
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