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2020年高联一试11题的七种解法

2020年高联一试11题的七种解法
2020年09月28日 22:08 新浪网 作者 崔老师数学角

  拿到这个问题,我先画个草图。最自然的思路是设出三个点的坐标,由直角和等腰各得一个等式,然后用坐标表示出面积,用两个等式消去未知数,变为一元函数,然后求最值。

  似乎有希望,所以就先按这个思路做下去看看:

  解法一

  设A为直角顶点,各点坐标为

  A(a,1/a),B(b,1/b),C(c,1/c),

  则AB斜率为

  这样本题就用最“笨”的方法解出来了。

  上述解法虽然很笨拙,但是思路很自然,也没有特别复杂的运算和高超的技巧,只要没有计算错,就能得到最终结果。估计也是考场中最常见的解法。

  此题的思路基本就是:

  (1) 由等腰直角得到约束条件,

  (2) 然后消元得到面积的一元函数表达式,

  (3) 最后求出面积最小值。

  上述过程最大的难点在于对(2)式的化简,用a表示b,除了上述十字相乘法,当然也可以用求根公式解此一元二次方程。

  下面的想法当然是看看上述解答中,某些部分还能不能改进,还有没有其他的思路。

  首先看看f(t)的最小值,除了求导以外,还有其他的办法吗?

  这个换元自然而奇妙,结果也很巧合,转化为经典的三角最值问题,用均值不等式解决很漂亮也是很常见的。

  还有一个换元的思路时分子分母同除以t^3,引入t+1/t,不过最后表达式虽然比较简洁,基本还是要用导数来解决,感觉意义不大,这里就不再赘述。

  所以整体而言,求f(t)最值的方法基本就上述两种,我觉得两种方法不相上下、各有千秋。

  下面的想法是此题求面积表达式的方法,除了上述最自然的思路外。还有其他更简洁精妙的吗?

  网上见到最多的是复数的解法,复数思路还算是自然,因为复数的优势在于旋转,而等腰直角就是一个腰旋转90°到另一个腰,从而得到复数的解法如下:

  解法二:

  在复平面内,设A(a,1/a),设AB对应的复数为x+yi,则AC对应的复数为(x+yi)i=xi-y,

  从而得到B,C的坐标为B(a+x,1/a+y),C(a-y,1/a+x)。由B、C在xy=1上得到

  1=(a+x)(1/a+y)=(a-y)(1/a+x),

  容易解得x,y为

  从而得到面积表达式为

  最终殊途同归,得到了相同的面积表达式,下面通过求导或者三角换元求最值即可。

  不难发现,上述复数解法有些地方跳步,不过运算量还是小了一些。

  上述复数解法的关键是很好的利用了等腰直角三角形旋转这个性质。

  要巧妙的使用这个性质,其实还有一个更自然的第三种思路——直线的参数方程。

  解法三:

  设A(a,1/a),AB的参数方程为

  x=a+tcosθ,y=1/a+tsinθ。

  由B在xy=1上得到

  1=(a+tcosθ)(1/a+tsinθ)=1+t2sinθcosθ

  +atsinθ+tcosθ/a,

  容易解得t为

  最终貌离神合,得到了和几乎上述三角换元相同的表达式,也算是在意料之中。

  上述两种解法比较,我觉得参数方程似乎更自然、更合理。

  下面看一下官方提供的参考答案的方法,如下,

  解法四:

  参考答案是用向量解决的,其实在没有引入向量的数量积之前,向量本质和复数是相同的。其中的s,t就相当于复数解法的x,y,只是他没有用a表示s,t,反而是消去了a,得到了s,t的等式。

  然后用均值不等式得到了的s^2+t^2,即面积的最小值。可以说此解法和上述解法二、三异曲同工,只是看起来技巧性更强。

  上述四种解法基本都是基于计算得到的,能不能用一些等轴双曲线的几何性质来解决本题呢?

  考完试以后,我校学生晁一沣给我说,他在网上看到有人做出直角顶点的切线,几乎用等轴双曲线的几个几何性质得到了结果。

  我按这个思路想了一下,感觉确实直角顶点切线很有用。因为等轴双曲线最著名的性质就是布利安香-彭色列定理:等轴双曲线内接三角形的垂心也在此双曲线上。

  这个前面多次提到了,其实也很容易。

  证明:和证法一类似,对任意△ABC设各点坐标为A(a,1/a),B(b,1/b),C(c,1/c)。

  则AB斜率为-1/(ab),

  其上点H(h,1/h)满足AH⊥BC,则

  -1/(cb)=ah,h=-1/(abc),

  此坐标关于a,b,c对称,故BH⊥AC,

  从而H为ABC垂心,证毕!

  由切线是割线的极限知本题中A处的切线垂直BC,即AB和A处切线夹角为45°,

  利用此结论,就能得到关于a,b的一个等式,解出b即可,这就得到了一种新的解法。

  解法五:

  依题意由布利安香-彭色列定理知AB和A处切线夹角为45°,

  设各点坐标为A(a,1/a),B(b,1/b),则

  AB斜率为-1/(ab),

  将b换为a,从而得到A处切线斜率为-1/a^2,

  由到角公式得到

  从而解出b,得

  自此转化到解法一,

  下面带入面积表达式即可。

  不难发现本解法利用此定理,大大简化了运算,算是一个漂亮的数形结合的案例。

  而且此解法还给出了一个以A为直角顶点的等腰直角三角形的准确的作图方法:

  做出过A的切线,顺时针和逆时针各旋转45°和此双曲线交点B、C即为满足条件的点B、C。

  后来,晁一沣又给我提供了一个偏几何的解法,要用到等轴双曲线的三个性质:

  1 布利安香-彭色列定理,

  2 四边形的欧拉—彭色列点,即等轴双曲线内接三角形九点圆过原点。

  3 双曲线某点处的切线与渐近线围成的三角形面积为定值ab,其中a,b为其半实轴和半虚轴长。且切点为切线与渐近线两交点中点。

  上述性质这里略去证明。

  解法六:

  如上图,设A处切线交x,y轴于D,E,线段BC中点为F,OA=r,∠OAE=θ,

  由上述性质1知AF为双曲线过A的切线。

  由性质2知∠FOA=90°,

  由性质3知△ODE面积为2且AO=AD=AE。

  从而得到

  百川汇海,这里又得到了与上述三角换元相同的面积表达式,以下用均值不等式即可求出最值。

  解法六充分利用等轴双曲线的几何性质,大大简化了运算。不过最终还是需要得到面积表达式,用代数方法求出最值。而且理论上这些性质在考场上都是需要证明的,这样本解法的篇幅就相当大了。所以比较而言,此解法的优势也不是很明显。

  后来我校学生梁石易新提出,利用到角公式解法五还能再改进,不需要用布利安香-彭色列定理。利用夹角45°,由可以简化运算。从而得到以下解法:

  解法七:

  设各点坐标为A(a,1/a),B(b,1/b),C(c,1/c),则

  AB,BC斜率为-1/(ab),-1/(cb),

  自此转化到解法一,

  下面带入面积表达式即可。

  上面收集了此题七种不同的解法,要么偏于计算,要么利用一些几何性质。当然最终万法归宗,还是要把面积表示成某个变量的函数,用均值不等式或者导数求出最值。比较而言,我感觉解法七似乎最简洁明了。

  唯一感觉美中不足之处是没有找到面积的几何意义,没有得到本题的纯几何解法。

  当然本题还有一些问题可以思考,例如对于一般的等轴双曲线,本问题的结论是什么?以及还可以考虑等轴双曲线内接其他特殊三角形(如正三角形)的面积最小值问题等。

  希望万能的读者畅所欲言,提供更精妙的思路和解法。

  nd

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