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2023年新一卷圓錐曲線——折線的最值

2023-06-10 13:37 作者:求導宗師的線性空間  | 我要投稿

Hello,大家好!

2023年的新一卷數(shù)學明顯比2022年仁慈了許多,所以可以斷定今年閱卷老師步驟分一定摳得非常細,想要在考場上不扣步驟分地將壓軸題證出也并不容易。

先看原題:

第一問是拋物線的定義,就不再贅述

W?的方程為?y%3Dx%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D

第二問,不妨設(shè)三個在?W 上的點是?A(a%2Ca%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D),B(b%2Cb%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D),C(c%2Cc%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D)

因為?ABCD?為矩形,所以?AB%5Cbot%20BC,則矩形周長為?2%7CAB%7C%2B2%7CBC%7C

于是只要證?%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%3E%5Cfrac%7B3%5Csqrt%7B3%7D%7D%7B2%7D

不妨設(shè)直線?AB 的斜率為?k,則直線?BC 的斜率為?-%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D,由于兩條直線不可能平行于?y 軸,所以?k 一定存在

通過韋達定理可以將?a?、c?用?b?、k?表示

直線?AB?:y%3Dk(x-b)%2Bb%5E2%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D

與?W 聯(lián)立消?y?得:x%5E2-kx%2Bkb-b%5E2%3D0

由韋達定理得:a%2Bb%3Dk

于是?a%3Dk-b,同理?c%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D-b

由線段長度計算式可得:

%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%3D%7Ca-b%7C%5Csqrt%7Bk%5E2%2B1%7D%20%2B%7Cb-c%7C%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%5E2%7D%2B1%7D

%3D%7Ck-2b%7C%5Csqrt%7Bk%5E2%2B1%7D%2B%7C%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D%2B2b%7C%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%5E2%7D%2B1%7D

這是一個關(guān)于?k、b?的二元函數(shù)。仔細觀察這個函數(shù),若視?k?為參數(shù),b?為變量,則其可看作兩條折線相加:

不難想到,當絕對值內(nèi)的式子為?0 時,折線就會發(fā)生偏轉(zhuǎn),這兩個偏折點分別是?b%3D%5Cfrac%7Bk%7D%7B2%7D?和 b%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B2k%7D,它們將折線分成了三段,而且右邊的射線向?x 軸正方向延申至無窮大,左邊的射線向?x 軸負半軸延申至無窮大

折線還有一個重要的性質(zhì),那就是對于每一段線段,最值一定位于端點處,于是當固定?k?時,函數(shù)關(guān)于?%20b?的最小值一定會出現(xiàn)在?b%3D%5Cfrac%7Bk%7D%7B2%7D 處或者?%20b%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B2k%7D?處 ,只要這兩處函數(shù)值均大于?%5Cfrac%7B3%5Csqrt%7B3%7D%7D%7B2%7D?即可

① 當?b%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B2k%7D?時:

%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%3D%7Ck%2B%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D%7C%5Csqrt%7Bk%5E2%2B1%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B(k%5E2%2B1)%5E3%7D%7Bk%5E2%7D%7D

可以直接用均值不等式求得最小值,當然求導也行,令?m%3Dk%5E%7B%5Cfrac%7B2%7D%7B3%7D%7D,則有:

(%5Cfrac%7Bm%5E3%2B1%7D%7Bm%7D)%5E%7B%5Cfrac%7B3%7D%7B2%7D%7D%3D(%5Cfrac%7Bm%5E3%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%7D%7Bm%7D)%5E%7B%5Cfrac%7B3%7D%7B2%7D%7D%5Cgeq%20(%5Cfrac%7B3%5Csqrt%5B3%5D%7B%5Cfrac%7Bm%5E3%7D%7B4%7D%7D%20%7D%7Bm%7D)%5E%7B%5Cfrac%7B3%7D%7B2%7D%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B3%5Csqrt%7B3%7D%7D%7B2%7D

取等條件為?k%3D%5Cpm%20%5Cfrac%7B%5Csqrt%7B2%7D%7D%7B2%7D

② 當?b%3D%5Cfrac%7Bk%7D%7B2%7D?時:

%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%3D%7Ck%2B%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D%7C%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%5E2%7D%2B1%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B(k%5E2%2B1)%5E3%7D%7Bk%5E4%7D%7D

仔細觀察可以發(fā)現(xiàn),只要用?%5Cfrac%7B1%7D%7Bk%7D?替換?k?即可得到與上面完全一樣的式子

于是?%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%5Cgeq%20%5Cfrac%7B3%5Csqrt%7B3%7D%7D%7B2%7D

取等條件為?k%3D%5Cpm%20%5Csqrt%7B2%7D

不過,當?b%3D%5Cfrac%7Bk%7D%7B2%7D?時,由判別式?%5CDelta%20%3D(k-2b)%5E2%3D0?,AB 與?W?相切,不符合題意,同理當?b%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B2k%7D?時也不符合題意,所以最小值無法取到

綜上,?%7CAB%7C%2B%7CBC%7C%3E%5Cfrac%7B3%5Csqrt%7B3%7D%7D%7B2%7D,證畢!

再回頭看看這道題,很顯然,矩形?ABCD 具有兩個自由度,因此無論如何設(shè)變量,在表示周長一定有兩個自由變量,而問題的關(guān)鍵就是找到“好的”變量,使得后續(xù)工作盡可能簡單

許多同學試圖直接用坐標來充當變量,這貌似不太可行,理由如下:

很顯然,在本題中點?A 和點?C 地位相同,即?a?和?c?等價

如果在ab、c?中選擇兩個坐標來當作變量的話,根據(jù)斜率關(guān)系有?(a%2Bb)(b%2Bc)%3D-1,并不太方便用?a?和 c?來表示?b?;然而,如果用?a?和 b 表示 c?,或者用?b 和?c 表示?a ,就會隱蔽地破壞掉?a 和?c?的等價關(guān)系(這感覺是種玄學),后續(xù)工作可能會比較困難,當然讀者也可以嘗試一下

?因此,為體現(xiàn)出?a 和?c 的等價性,我們使用斜率?k 這一橋梁來聯(lián)結(jié)?a 和?c,這樣用?k 和?b?兩個變量就可以表示出矩形的周長了

當然,可能還有其他更好的設(shè)變量的方式,就留給讀者思考了

好了,以上就是全部內(nèi)容了,感謝觀看!

拜拜~

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