前言
典例剖析
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)。
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)与(CD)交于(E),过(C)做(CF//AD)交(AB)于(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});
故(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}));
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})),
则(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})
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)),
则(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}),
当(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),
即(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)),
则(|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))
则(|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}),
当(x=cfrac{2}{k^2+1})时,(|MN|)最小,且此时(x=cfrac{2}{5}),
由(cfrac{2}{5}=cfrac{2}{k^2+1}),解得(k=pm 2),故选(D)。
法1:运用运动变化的观点来求解,连结(BD),过点(F)作(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,
则(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}),
当(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),
则( heta=cfrac{pi}{4}),且此时点(G)位于下底面的中点(O)处。故选(D).
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})在(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))
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;
由(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)。
法1:由(p)或(q)为真命题,(p)且(q)为假命题可知,转化为命题(p) 和(q)必然是一真一假;
当(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);
当(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)从(0)到(3)逐渐增大,
当(a=0)时,设给定区间为(A),则(A=(-2,0)),此时(1 otin A)且(2 otin A),故不满足题意;
当(a=1)时,则(A=(-3,1)),此时(1 otin A)且(2 otin A),故不满足题意;
当(a=1.5)时,则(A=(-3.5,1.5)),此时(1in A)且(2 otin A),故满足题意;
当(a=2)时,则(A=(-4,2)),此时(1in A)且(2 otin A),故满足题意;
当(a=3)时,则(A=(-5,3)),此时(1in A)且(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
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])或(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,
即(k imescfrac{sqrt{3}}{2}>12)时,解得(k>8sqrt{3}),此时三角形是不存在的;
当(12)等于点(C)到边(AB)的高度(k imescfrac{sqrt{3}}{2})时,
即(12=kcfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k=8sqrt{3}),三角形是唯一的;
当(12)大于点(C)到边(AB)的高度(kcdotcfrac{sqrt{3}}{2})时,三角形是两个的,
即(12>k imes cfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k<8sqrt{3});
当(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})或(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。
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),
故(S_{阴影}=S_{扇形AOB}+2S_{ riangle AOP}=4eta+4sineta),故选(B).