• 用动态观点解决问题


    前言

    典例剖析

    例1【2019届高三理科数学三轮模拟训练用题】定义:椭圆(cfrac{x^2}{a^2}+cfrac{y^2}{b^2}=1(a>b>0))中长度为整数的焦点弦(过焦点的弦)为“好弦”,则椭圆(cfrac{x^2}{25}+cfrac{y^2}{9}=1)的所有“好弦”的长度为【】

    $A.162$ $B.166$ $C.312$ $D.364$

    分析:椭圆(cfrac{x^2}{25}+cfrac{y^2}{9}=1)中的最短弦长为通经,最长的弦长为长轴的长,容易计算得到通经长为(cfrac{18}{5}=3.6),则椭圆的弦从最短的弦变化为最长的弦的过程中,得到的好弦的长度分别为(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)

    而且由于椭圆关于(x)轴对称,故有两组,又由于焦点有两个,故还有两组,故共有四组,其和为((4+5+6) (+7+8+9+) (10) imes 4) (=196),但是上述的计算过程中将最长的好弦(即长轴)多计算了3次,故所求为(196-30=166),故选(B)

    例2【2015(cdot)全国卷Ⅰ】在平面四边形(ABCD)中,(angle A=angle B=angle C=75^{circ})(BC=2),则(AB)的取值范围是___________。

    分析:本题目非常特别,依据题意我们做出的图形是平面四边形,

    当我们将边(AD)平行移动时,题目的已知条件都没有改变,故想到将此静态图变化为动态图,

    平行移动(AD)时,我们看到了两个临界位置,即四边形变化为三角形的两个状态,

    其一是四边形变化为三角形(ABF),此时应该有(BF<AB)

    其二是四边形变化为三角形(ABE),此时应该有(BE>AB)

    故动态的边(AB)的范围是(BF<AB<BE),从而求解。

    解答:如图所示,延长(BA)(CD)交于(E),过(C)(CF//AD)(AB)(F),则(BF<AB<BE)

    在等腰三角形(CFB)中,(angle FCB=30^{circ})(CF=BC=2),由余弦定理得到(BF=sqrt{6}-sqrt{2})

    在等腰三角形(ECB)中,(angle CEB=30^{circ})(angle ECB=75^{circ})(BE=CE,BC=2)

    由正弦定理得到(BE=sqrt{6}+sqrt{2})

    (sqrt{6}-sqrt{2}<AB<sqrt{6}+sqrt{2})

    解后反思引申:

    1、求(CD)的取值范围;

    分析:由上述的动态图可知,(0<CD<CE=BE=sqrt{6}+sqrt{2})

    2、求(AD)的取值范围;

    分析:由上述的动态图可知,(0<AD<CF=BC=2)

    3、求四边形(ABCD)的周长的取值范围;

    分析:四边形(ABCD)的周长介于(Delta BCF)的周长和(Delta BCE)的周长之间,

    故其取值范围是((4+sqrt{6}-sqrt{2},2(sqrt{6}+sqrt{2})+2))

    4、求四边形(ABCD)的面积的取值范围;

    分析:四边形(ABCD)的面积介于(Delta BCF)的面积和(Delta BCE)的面积之间,

    (S_{Delta BCF}=cfrac{1}{2} imes 2 imes 2 imes sin30^{circ}=1)

    (S_{Delta BCE}=cfrac{1}{2} imes (sqrt{6}+sqrt{2}) imes (sqrt{6}+sqrt{2}) imes sin30^{circ}=2+sqrt{3})

    故其取值范围是((1,2+sqrt{3}))

    例3【2019高三理数二轮专题训练题】在( riangle ABC)中,(AB=AC=2sqrt{2})(overrightarrow{DB}=3overrightarrow{AD}),连接(CD)并取线段(CD)的中点为(F),则(overrightarrow{AF}cdot overrightarrow{CD})的值为________。

    法1:常规方法,基向量法,由于(overrightarrow{DB}=3overrightarrow{AD}),线段(CD)的中点为(F),则(overrightarrow{CD}=cfrac{1}{4}overrightarrow{AB}-overrightarrow{AC})

    (overrightarrow{AF}=cfrac{1}{4}overrightarrow{AB}+cfrac{1}{2}overrightarrow{DC}=cfrac{1}{4}overrightarrow{AB}+cfrac{1}{2}(overrightarrow{AC}-cfrac{1}{4}overrightarrow{AB})=cfrac{1}{4}overrightarrow{AB}+cfrac{1}{2}overrightarrow{AC}=cfrac{1}{2}(cfrac{1}{4}overrightarrow{AB}+overrightarrow{AC}))

    (overrightarrow{AF}cdot overrightarrow{CD}=cfrac{1}{2}(cfrac{1}{16}{overrightarrow{AB}}^2-overrightarrow{AC}^2)=cfrac{1}{2}(cfrac{1}{16} imes 8-8)=-cfrac{15}{4})

    法2:特殊化策略,当( riangle ABC)为等边三角形,或是等腰直角三角形时,题目中的条件仍然不变化,故可以采用特殊化策略,

    比如( riangle ABC)为等腰直角三角形,以(A)为坐标原点建系,然后利用相应点的坐标计算。提示:(-cfrac{15}{4})

    例4【2019高三理数三轮模拟训练题】设点(M)在直线(l:y=kx+1) ((k为常数))上运动,过点(M)作圆(C:(x-2)^2+(y-1)^2=1)的切线,切点为(N),当切线长(|MN|)取得最小值时,点(M)的横坐标为(cfrac{2}{5}),则常数(k)的值为【】

    $A.2$ $B.-2$ $C.pmcfrac{1}{2}$ $D.pm 2$

    法1:用动态图形观察得到切线长的最小值;作出如图所示的示意图,当点(M)向圆靠近时,切线的长度逐渐变小,当点(M)落在点(P)时(点(P)为圆心点(O)在直线(l)上的垂足),切线长(|MN|)取得最小值,

    此时直线(CP:y-1=-cfrac{1}{k}(x-2))②,和(l:y=kx+1)①联立,消去(y),再将(x=cfrac{2}{5})代入,求得(k=pm 2),故选(D)

    法2:先判断当切线(MN)最短时,点(M)位于点(P)处,令(M(cfrac{2}{5},y))

    (k_l=cfrac{y-1}{frac{2}{5}})(k_{OM}=cfrac{y-1}{frac{2}{5}-1}),由于(k_lcdot k_{OM}=-1),解得(y=1pm cfrac{4}{5})

    (y=1+cfrac{4}{5}=cfrac{9}{5})时,(k=cfrac{y-1}{frac{2}{5}}=2),当(y=1-cfrac{4}{5}=cfrac{1}{5})时,(k=cfrac{y-1}{frac{2}{5}}=-2)

    (k=pm 2),故选(D)

    法3:用计算的方法得到切线长的最小值;设(M(cfrac{2}{5},y))

    (|MN|^2=(cfrac{2}{5}-2)^2+(y-1)^2-1^2=(y-1)^2+cfrac{39}{25}),此法错误,原因是在此题目中(y)是定值,不是变量;如果将(y)替换为(kx+1),然后求解就是正确的。

    法4:用计算的方法得到切线长的最小值;设(M(x,kx+1))(O(2,1))

    (|MN|^2=(x-2)^2+(kx+1-1)^2-1^2=k^2x^2+x^2-4x+3)

    (=(k^2+1)x^2-4x+3=(k^2+1)[x^2-cfrac{4}{k^2+1}x+(cfrac{2}{k^2+1})^2]+3-cfrac{4}{k^2+1})

    (=(k^2+1)(x-cfrac{2}{k^2+1})^2+3-cfrac{4}{k^2+1})

    (x=cfrac{2}{k^2+1})时,(|MN|)最小,且此时(x=cfrac{2}{5})

    (cfrac{2}{5}=cfrac{2}{k^2+1}),解得(k=pm 2),故选(D)

    例5【2019高三理数三轮模拟训练题】如图,已知正方体(ABCD-A_1B_1C_1D_1)中,(E)(AB)的中点,点(F)在对角线(BD_1)上运动,设直线(EF)与底面(ABCD)所成角为( heta),则( heta)的最大值为【】

    $A.cfrac{3pi}{4}$ $B.cfrac{pi}{2}$ $C.cfrac{pi}{3}$ $D.cfrac{pi}{4}$

    法1:运用运动变化的观点来求解,连结(BD),过点(F)(FGperp BD)于点(G),连结(EG),则(angle GEF= heta),我们容易看到当点(F)从点(B)开始向点(D_1)运动时,( heta=0),可以猜想整个过程中,( heta)是逐渐增大的,至于具体的增大是以什么样的函数形式增大,我们目前是不知道的,不过我们可以通过运动过程知道,选项(A)和选项(B)肯定是错误的。

    接下来,需要我们分析几个特殊位置,其一点(G)落在点(H)处(其中(EHperp BD)),其二点(G)落在点(O)处(其中(O)是下底面的中心),其三点(G)落在点(D)处,

    当点(G)落在点(D)处时,设棱长为2,可以知道(EG=sqrt{5})(FG=2),故(tan heta=cfrac{2}{sqrt{5}}),结合选项,这种情况排除,也说明整个运动过程不是一直增大的;

    当点(G)落在点(O)处时,可以知道(EG=1)(FG=1),故(tan heta=1),即( heta=cfrac{pi}{4})

    当点(G)落在点(H)处时,可以知道(EG=cfrac{sqrt{2}}{2})(FG=cfrac{1}{2}),故(tan heta=cfrac{sqrt{2}}{2}),此时( heta<cfrac{pi}{4})

    结合以上情形可知,应该选(D)

    【解后反思】如果我们还需要将本题目的整个运动过程都弄清楚,可以借助函数来思考,比如还是设棱长为2,设(BG=t),则(tin [0,2sqrt{2}])

    则由( riangle BGFsim riangle BDD_1),可得到(cfrac{t}{2sqrt{2}}=cfrac{FG}{2}),则(|FG|=cfrac{sqrt{2}}{2}t)

    则在( riangle BGE)中,(|BG|=t)(|BE|=1)(angle EBG=45^{circ}),则由余弦定理可知,

    (|EG|^2=1+t^2-2cdot 1cdot tcdot cos45^{circ}=t^2-sqrt{2}t+1),在(Rt riangle EFG)中,

    (tan^2 heta=cfrac{frac{t^2}{2}}{t^2-sqrt{2}t+1}=cfrac{t^2}{2t^2-2sqrt{2}t+2}=cfrac{1}{2-frac{2sqrt{2}}{t}+frac{2}{t^2}})

    (=cfrac{1}{2(frac{1}{t})^2-2sqrt{2}cdot frac{1}{t}+2}=cfrac{1}{2(frac{1}{t}-frac{sqrt{2}}{2})^2+1})

    (cfrac{1}{t}=cfrac{sqrt{2}}{2})时,即(t=sqrt{2})时,(tan^2 heta)达到最大值(1),此时(tan heta)也达到最大值(1)

    ( heta=cfrac{pi}{4}),且此时点(G)位于下底面的中点(O)处。故选(D).

    例6【向量的投影的几何意义】【2018西安八校联考第5题】已知(O)是坐标原点,点(A(2,1)),点(M(x,y))是平面区域(egin{cases}&yleq x\&x+yleq 1\&yge -1end{cases})内的一个动点,则(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM})的最大值是多少?

    法1:利用向量的坐标运算得到,(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=2x+y),故转化为求(2x+y)的最大值,即求(z=2x+y)的最大值,用线性规划的常规方法解决即可。

    法2:利用向量的投影的几何意义求解,说明:点(M)是三角形区域内部及边界上的一个动点,动画只做了点(M)在边界上的情形;

    注:图中有向线段(OB)是向量(overrightarrow{OM})在向量(overrightarrow{OA})方向上的投影,它是可正,可负,可零的;

    (overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=|overrightarrow{OA}|cdot |overrightarrow{OM}|cdot cos heta),其中(|overrightarrow{OA}|)是个定值,

    故只需要求(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)的最大值,而(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)的几何意义是(overrightarrow{OM})(overrightarrow{OA})方向上的投影,

    由图形可知,当点(M(x,y))位于点((2,-1))时投影(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)最大,故将点((2,-1))代入(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=3)

    变式题1:求(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM})的最小值是多少?

    分析:由上图可以看出,当两个向量的夹角为钝角时,其投影是负值,故当点(M)位于点(C)时,其内积最小,

    此时将点((-1,-1))代入得到(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=-3)

    变式题2:求向量(overrightarrow{OM})的投影的绝对值最小时的动点(M)的轨迹方程?

    分析:当其夹角为(90^{circ})时,有向线段(OB=0),故向量(overrightarrow{OM})的投影的绝对值最小(0)

    此时,点(M)在三角形区域内部且和直线(OA)垂直,故其轨迹为(y=-2x,(-1leqslant yleqslant 0))

    例7【2019届高三理科数学第三轮模拟训练题】已知函数(f(x)=lnx+2mx-2mx^2)有两个不同的零点,则实数(m)的取值范围是【】

    $A(0,1)cup(1,+infty)$ $B(0,cfrac{1}{2})cup(cfrac{1}{2},+infty)$ $C(0,cfrac{1}{2})cup(1,+infty)$ $D(cfrac{1}{2},+infty)$

    法1:先转化为函数(y=g(x)=lnx)和函数(y=h(x)=2m(x^2-x))有两个交点的问题,在同一个坐标系中做出两个函数的图像,如下图所示:

    我们先想着让(m=0),则此时两个函数的图像只有一个交点,当(m>0)时,其有了两个交点,其中一个固定交点((1,0)),另外一个是变化的交点,当(m)逐渐增大时,变化的交点逐渐靠近固定的交点,最后合二为一,此时两条曲线相切于点((1,0)),当(m)再增大时,两个函数又有了两个交点;

    接下来,只需要验证当切点为((1,0))时,(m)应该等于多少即可;

    (h'(x_0)=cfrac{1}{x_0}=2m(2x_0-1)=g'(x_0))(y_0=lnx_0)(y_0=2m(x_0^2-x_0)),用点((1,0))验证得到(m=cfrac{1}{2}),故选(B)

    例8【转化划归+分类讨论】设集合(A={xmid -2-a<x<a,a>0}),命题(p)(1in A),命题(q)(2in A),若(p)(q)为真命题,(p)(q)为假命题,则实数(a)的取值范围是【】

    $A.{amid 0< a <1$或$a>2}$
    $B.{amid 0< a <1$或$age 2}$
    $C.{amid 1< a leq 2}$
    $D.{amid 1leq aleq 2}$

    法1:由(p)(q)为真命题,(p)(q)为假命题可知,转化为命题(p)(q)必然是一真一假;

    (p)真且(q)假时,有(left{egin{array}{l}{-2-a<1<a}\{2ge a或 2leq -2-a}end{array} ight.),解得(1<aleq 2)

    (p)假且(q)真时,有(left{egin{array}{l}{1ge a或 1leq -2-a}\{-2-a<2<a}end{array} ight.),解得(ain varnothing)

    综上,(1<aleq 2);故选(C)

    法2:利用运动观点求解,做出区间((-2-a,a)),然后让参数(a)(0)(3)逐渐增大,

    (a=0)时,设给定区间为(A),则(A=(-2,0)),此时(1 otin A)(2 otin A),故不满足题意;

    (a=1)时,则(A=(-3,1)),此时(1 otin A)(2 otin A),故不满足题意;

    (a=1.5)时,则(A=(-3.5,1.5)),此时(1in A)(2 otin A),故满足题意;

    (a=2)时,则(A=(-4,2)),此时(1in A)(2 otin A),故满足题意;

    (a=3)时,则(A=(-5,3)),此时(1in A)(2in A),故不满足题意;

    综上可知,参数(a)的取值只能是(1<aleq 2);选(C).

    动静转化

    例2如果满足(angle ABC=60^{circ})(AC=12)(BC=k)的三角形(Delta ABC)恰有一个,那么(k)的范围是多少?

    法1:从数的角度入手,由正弦定理(cfrac{k}{sinA}=cfrac{12}{sin60^{circ}})

    得到方程(k=8sqrt{3}sinA,Ain(0,cfrac{2pi}{3}))有一个解,或者两个函数图像有一个交点,数形结合求解即可。

    由图可知,满足题意的三角形恰有一个,则(kin(0,12])(k=8sqrt{3})

    【法2】:从形的角度入手,动静元素互相换位,即理解为让长度为(12)的边变化,让长度为(k)的边不变化。

    如图,以点(C)为圆心画弧,当(12)小于点(C)到边(AB)的高度(k imescfrac{sqrt{3}}{2})时,

    (k imescfrac{sqrt{3}}{2}>12)时,解得(k>8sqrt{3}),此时三角形是不存在的;

    (12)等于点(C)到边(AB)的高度(k imescfrac{sqrt{3}}{2})时,

    (12=kcfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k=8sqrt{3}),三角形是唯一的;

    (12)大于点(C)到边(AB)的高度(kcdotcfrac{sqrt{3}}{2})时,三角形是两个的,

    (12>k imes cfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k<8sqrt{3})

    (12)大于或等于边(BC)时,三角形是唯一的,即(0<kleqslant 12)

    综上可知,当(k=8sqrt{3})(kin(0,12])时,满足条件的三角形恰好只有一个。

    【解后反思】①动静互换,体现了思维的灵活性;②是否可以这样想,有一种从形入手分析的思路,必然就会有一种从数入手的思路与之对应。

    例2【2017北京高考文科】如图(A)(B)为半径为(2)的圆周上的定点,(P)为圆周上的动点,(angle APB)是锐角,大小为(eta),图中阴影部分的面积的最大值为【】

    $A.4eta+4coseta$ $B.4eta+4sineta$ $C.2eta+2coseta$ $D.2eta+4sineta$

    分析:本题目需要用到动态的观点来考虑,由于(angle APB)是锐角,故点(P)只能在优弧(overset{frown}{AB})上运动,从下图中可以看出,当(P)位于优弧(overset{frown}{AB})的中点时,阴影部分的面积为最大;

    此时(S_{ riangle AOP}=S_{ riangle BOP}=cfrac{1}{2}|OA||OP|sin(pi-eta)=cfrac{1}{2} imes 2^2 imes sineta=2sineta)

    (S_{扇形AOB}=cfrac{1}{2}cdot lcdot r=cfrac{1}{2} imes heta imes r^2=cfrac{1}{2} imes 2eta imes 4=4eta)

    (S_{阴影}=S_{扇形AOB}+2S_{ riangle AOP}=4eta+4sineta),故选(B).

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