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構造速度矢量解決解析幾何問題(光學性質證明,極值問題)

2022-12-31 12:15 作者:一氧化二氫天體  | 我要投稿

本想寫我在學解析幾何時發(fā)現(xiàn)的一種證明圓錐曲線光學性質的方法,結果今天早上起來一看咕咕的新視頻

想法和我如出一轍:

1.?先畫出以橢圓為軌跡運動物體的速度矢量

2.?根據橢圓兩線之和為定值的定義,使該矢量在兩條線上的分速度大小相等,一個指向焦點,另一個背離焦點

3. 物體運動方向就是軌跡的切線

藍色的矢量就是我們構造的速度矢量

根據1.2兩條條件構造出的速度矢量的方向不得不使∠1=∠2,繼而推出∠2=∠3

結合條件3,我們自然而然的得到橢圓的光學性質

詳細一點的解釋以及升華咕咕已經做的完美了,我就不多講了(被打)

同理可以得到拋物線和雙曲線的幾何性質

在之后的學習中我還發(fā)現(xiàn)這種方法還可以運用到部分極值問題中

例:求%5Csqrt%7By%5E2-4y%2B20%7D%20%2B%5Csqrt%7By%5E2-2y%2B10%7D%20的最小值

原式%3D%5Csqrt%7B(y-1)%5E2%2B3%5E2%7D%20%2B%5Csqrt%7B(y-2)%5E2%2B4%5E2%7D%20

大部分同學在這里想的是考慮構造圓去解決問題,

但作為一名新時代高中生自然要用騷一點的做法:

上述表達式的值就被轉化為圖中%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20的值

如果我們將y_%7B0%7D先增大到一個足夠大的值使A%EF%BC%8CB兩點均在x軸上方,并且同時給A%EF%BC%8CB兩點一個豎直向下的速度%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvert%20%5Cvec%7Bv%7D%20%20%5Cvert%20%3D1)將會有如下幾個過程:

y%5Cgeq%202%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20同時減小,說明此時%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20還不是最小


2%3Ey%3E%3F%0A(?是一個未知數,我們暫時還不知道):%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20仍然減小,但是%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20已經開始增大(此時B點在x軸下方但A點在x軸上方)但是速度%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOA%7D%20上的分速度大小,大于%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOB%7D%20上的分速度大小,(此時速度%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOA%7D%20上的分速度越大那么%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20減小得越快,%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOB%7D%20上的分速度越大那么%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20增大得越快)也就是這一瞬間%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20的值還在減小,說明此時%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20還不是最小


y%3D%3F:此時%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20仍然減小,%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20也在增大,但是速度%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOA%7D%20上的分速度大小,等于%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOB%7D%20上的分速度大小,也就是這一瞬間%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20的值不變(或者說達到了一個平衡,即%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20的減小和%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20的增大的平衡)


%3F%3Ey%3E1%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20仍然減小,%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20也仍舊在增大,但此時但是速度%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOA%7D%20上的分速度大小,小于%5Cvec%7Bv%7D%20%5Cvec%7BOB%7D%20上的分速度大小,總的來說就是%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20已經開始增大


1%3EyA%EF%BC%8CB兩點均在x軸下方,%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20兩者同時增大


根據上述分析我們可以得出%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%20%20%5Cvert%20%2B%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20的值隨y值變化的曲線差不多是這樣:

我們可以直觀的看到?“?”就是我們要求的原式取最小值時y的取值
我們可以直觀的看到 ?就是我們要求的原式取最小值時y的取值
m=y-1

由于A%EF%BC%8CB兩點速度相同,且在%5Cvert%20%5Cvec%7BOA%7D%20%20%5Cvert%20%5Cvert%20%5Cvec%7BOB%7D%20%20%5Cvert%20上分速度大小相等

在兩個速度和分速度構成的三角形中有兩邊對應相等:速度相等,分速度相等,又有一個直角,所以兩個三角形全等,故%E2%88%A03%3D%E2%88%A01%3D%E2%88%A04%3D%E2%88%A02

所以sin%E2%88%A01%3Dsin%E2%88%A02

所以有

%5Cfrac%7Bm%7D%7B3%7D%3D-%5Cfrac%7Bm-1%7D%7B4%7D%20%20(因為B點在x軸下,所以縱坐標是負的,要加上一個負號來修正)

解得m%3D%5Cfrac%7B3%7D%7B7%7D%20,帶入原式即可得到最小值為5%5Csqrt%7B2%7D%20

上述分析看起來繁多,但實際上很多都是顯而易見的東西(可能是我太啰嗦了【doge】),特別是分析過程那一步真正在做題時我?guī)缀跏菦]動什么腦子,真正寫在草稿上的可能就只有幾張圖和:

再來看一題看似很難的“壓軸題”:

%5CDelta%20ABC是面積為1的等腰直角三角形,D是斜邊AB的中點,點?P%5CDelta%20ABC所在平面內,記?%5CDelta%20PCD與?%5CDelta%20PAB?的面積分別為?S_%7B1%7D%20,?S_%7B2%7D%20,且?S_%7B1%7D%20-S_%7B2%7D%20%3D1。當?%5Cvert%20PB%20%5Cvert%20%3D%5Csqrt%7B10%7D%20?且%5Cvert%20PA%20%5Cvert%20%5Cgeq%20%5Cvert%20PB%20%5Cvert%20時,?%5Cvert%20PA%20%5Cvert%20%3D(%20%20%20%20);記?%5Cvert%20%5Cvert%20PA%20%5Cvert%20-%5Cvert%20PB%20%5Cvert%20%20%5Cvert%20%3Da,則實數?a的取值范圍為()

第一空:(%5Csqrt%7B26%7D%20)解析略

第二空:在第一空中若以D為原點,AB方向為x軸方向,DC方向為y軸方向,我們可以知道P的軌跡即為y%3D%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20-1(y%5Cin(0%2C%2B%E2%88%9E)%20),當然啦,關于CD對稱的也成立,但是討論都一樣,所以只需要討論其中一條軌跡即可

現(xiàn)在讓P動起來

讓P從最下端出發(fā),往上“動起來”,我們可以很清晰地觀察發(fā)現(xiàn),P在上移過程中,P點速度在BP直線上的分速度始終大于在AP直線上的分速度,所以P點上移過程中,PB長度的增加速度始終大于AP長度的增加速度,又注意到BP長度始終小于AP長度,所以點P跑到無窮遠處時,??a取最小值,換句話說:BP長度一開始小于AP長度,且PB始終在追趕AP,兩者的差距隨P點上移而減小,但即使這樣PB長度仍小于PA


AM長度即為a的最小值

在無窮遠處的P,此時AP與PB的夾角趨于0,即AP與PB平行

求得AM%3D%5Cfrac%7B4%5Csqrt%7B5%7D%20%7D%7B5%7D%20,同時a的最大值即為P點在x軸上時取得,綜上得a%5Cin%20(%5Cfrac%7B4%5Csqrt%7B5%7D%20%7D%7B5%7D%20%2C2),原本看似復雜的問題,也經不住拷打,被解決了。

如有錯誤,還請各位大佬討論指出

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