论文部分内容阅读
几何中的极值问题,常常与三角函数等其他代数分支相连接,求解这类问题时,如能在几何与代数的交汇点上寻求解题突破,对提高分析问题、解决问题的能力和提升数学知识的融会与迁移能力,无疑很有裨益.
问题1已知△ABC的边BC=a,CA=b,AB=c,点Q在△ABC内,记f=aQA2+bQB2+cQC2.
(1)求f的最小值;
(2)当f取最小值时,确定点Q的几何位置.
图1
解析:(1)如图1,作出点Q关于BC,CA,AB的对称点Q1,Q2,Q3.
则
S△AQQ3+S△AQQ2=12QA2·(sin2α1+sin2β1)
=QA2sin(α1+β1)·cos(α1-β1)≤QA2sinA.
同理,S△BQQ1+S△BQQ3≤QB2sinB,S△CQQ1+S△CQQ2≤QC2sinC.
三式相加得2S△ABC≤a2RQA2+b2RQB2+c2RQC2.
故f=aQA2+bQB2+cQC2≥4R·S△ABC=abc.
(2)当上式取等号,即f取最小值时,有cos(α1-β1)=cos(α2-β2)=cos(α3-β3)=1.
此时,α1=β1,α2=β2,α3=β3,即QA,QB,QC是∠A,∠B,∠C的平分线段.
所以,Q是△ABC的内心.
问题2在四边形ABCD中,AC⊥BD,且AC与BD交于点O,OC=OD.
试求OBAB+OAAD+OCBC的最大值.
图2
解析:如图2,设∠ABO=α,∠OAD=β,∠BCO=γ.
由题意得tanα=OAOB,tanβ=ODOA,tanγ=OBOC.
又OD=OC,则
tanα·tanβ·tanγ=1,α,β,γ∈0,π2.
由于OBAB=cosα,OAAD=cosβ,OCBC=cosγ,
于是,问题转化为求cosα+cosβ+cosγ的最大值.
由tanα·tanβ·tanγ=1,知道tanα,tanβ,tanγ三者中必有一个不小于1,不妨设tanγ≥1,则tanγ∈(0,1].
由tanα·tanβ=cotγ2sinα·sinβ=2cotγ·cosα·cosβ
-cos(α+β)+cos(α-β)=cotγ[cos(α+β)+cos(α-β)]
cos(α+β)=1-cotγ1+cotγcos(α-β).①
令t=cosα+cosβ,则t2=cos2α+cos2β+2cosα·cosβ=1+cos(α+β)·cos(α-β)+cos(α+β)+cos(α-β).②
将①代入②得t2=1+cos2(α-β)1-cotγ1+cotγ+21+cotγ·cos(α-β).
又-π2<α-β<π2,则0 从而,t2≤1+1-cotγ1+cotγ+21+cotγ=41+cotγ,因此t≤21+cotγ.
所以cosα+cosβ+cosγ=t+cosγ
≤21+cotγ+cotγ1+cot2γ
≤21+cotγ+2cotγ1+cotγ
=2+21+cotγ-21+cotγ.
令x=11+cosγ,则x≥22.
f(x)=2+2x-2x2=-2x-222+322.
当且仅当x=22时,f(x)取最大值322,所以cosα+cosβ+cosγ≤322,当且仅当α=β=γ=π4时,取得最大值.也就是说,当四边形ABCD为正方形时,OBAB+OAAD+OCBC取最大值322.
问题1已知△ABC的边BC=a,CA=b,AB=c,点Q在△ABC内,记f=aQA2+bQB2+cQC2.
(1)求f的最小值;
(2)当f取最小值时,确定点Q的几何位置.
图1
解析:(1)如图1,作出点Q关于BC,CA,AB的对称点Q1,Q2,Q3.
则
S△AQQ3+S△AQQ2=12QA2·(sin2α1+sin2β1)
=QA2sin(α1+β1)·cos(α1-β1)≤QA2sinA.
同理,S△BQQ1+S△BQQ3≤QB2sinB,S△CQQ1+S△CQQ2≤QC2sinC.
三式相加得2S△ABC≤a2RQA2+b2RQB2+c2RQC2.
故f=aQA2+bQB2+cQC2≥4R·S△ABC=abc.
(2)当上式取等号,即f取最小值时,有cos(α1-β1)=cos(α2-β2)=cos(α3-β3)=1.
此时,α1=β1,α2=β2,α3=β3,即QA,QB,QC是∠A,∠B,∠C的平分线段.
所以,Q是△ABC的内心.
问题2在四边形ABCD中,AC⊥BD,且AC与BD交于点O,OC=OD.
试求OBAB+OAAD+OCBC的最大值.
图2
解析:如图2,设∠ABO=α,∠OAD=β,∠BCO=γ.
由题意得tanα=OAOB,tanβ=ODOA,tanγ=OBOC.
又OD=OC,则
tanα·tanβ·tanγ=1,α,β,γ∈0,π2.
由于OBAB=cosα,OAAD=cosβ,OCBC=cosγ,
于是,问题转化为求cosα+cosβ+cosγ的最大值.
由tanα·tanβ·tanγ=1,知道tanα,tanβ,tanγ三者中必有一个不小于1,不妨设tanγ≥1,则tanγ∈(0,1].
由tanα·tanβ=cotγ2sinα·sinβ=2cotγ·cosα·cosβ
-cos(α+β)+cos(α-β)=cotγ[cos(α+β)+cos(α-β)]
cos(α+β)=1-cotγ1+cotγcos(α-β).①
令t=cosα+cosβ,则t2=cos2α+cos2β+2cosα·cosβ=1+cos(α+β)·cos(α-β)+cos(α+β)+cos(α-β).②
将①代入②得t2=1+cos2(α-β)1-cotγ1+cotγ+21+cotγ·cos(α-β).
又-π2<α-β<π2,则0
所以cosα+cosβ+cosγ=t+cosγ
≤21+cotγ+cotγ1+cot2γ
≤21+cotγ+2cotγ1+cotγ
=2+21+cotγ-21+cotγ.
令x=11+cosγ,则x≥22.
f(x)=2+2x-2x2=-2x-222+322.
当且仅当x=22时,f(x)取最大值322,所以cosα+cosβ+cosγ≤322,当且仅当α=β=γ=π4时,取得最大值.也就是说,当四边形ABCD为正方形时,OBAB+OAAD+OCBC取最大值322.