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用幾何方法解決向量中的最值問題

 悟道談風(fēng)水 2019-12-09

盡管學(xué)了不少相關(guān)的運(yùn)算律,向量感覺還是很難去運(yùn)算的一種量,因?yàn)殡y以與實(shí)數(shù)建立聯(lián)系。而把代數(shù)問題實(shí)數(shù)化的方法,其實(shí)也就是幾何和代數(shù)兩種。其中幾何的方法都非常有趣。

先看一道比較簡單的題目:

很顯然,觀察到向量的模,常規(guī)方法都是兩邊直接平方,將絕對(duì)值符號(hào)去掉之后構(gòu)造關(guān)于t的函數(shù),再利用恒成立問題的思路解決問題。然而這種方法計(jì)算量還是有些大,于是嘗試幾何方法。先把題目條件都轉(zhuǎn)化為幾何條件。很明顯向量的模就是表示它的線段的長度。于是可以知道有一條線段長度為定值1,不妨設(shè)這條線段為e。而對(duì)于不等式的意義,先整體觀察到兩邊絕對(duì)值內(nèi)的都是兩個(gè)向量的差,于是嘗試構(gòu)造另一個(gè)與e同起點(diǎn)的向量a。對(duì)于右邊,把它們的終點(diǎn)相連,此時(shí)得到的這條新的線段長度,就是不等式右邊的模的意義。而對(duì)于左邊,觀察到e作了數(shù)乘運(yùn)算,從幾何意義上說,它就是被伸縮了(可以正向,也可以反向)。所以這個(gè)新產(chǎn)生的線段與e的交點(diǎn)是在e所在的直線上移動(dòng)的,另外一個(gè)端點(diǎn)就是a的終點(diǎn)。把圖構(gòu)造出來:

再觀察這個(gè)不等式,就可以意識(shí)到實(shí)際上它描述的是一個(gè)定點(diǎn)(a的終點(diǎn))到定直線(e所在直線)的最短的狀態(tài)。所以就有了垂線段最短的想法,于是可以知道最小狀態(tài)就是垂直時(shí),再結(jié)合互相垂直的向量數(shù)量積為零,得到答案為C。

這道題比較好想,求最值的情況也比較方便,幾何法是可有可無的,然而下面這道題就需要兜更大的圈子了。

同樣的,先把題目轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀伪磉_(dá)。不妨設(shè)表示a的線段為AB,表示b的線段為AC(把它們放在同一個(gè)三角形內(nèi)比較簡潔)于是得到:

AB=AC=1且AB⊥AC,也就是ABC是個(gè)等腰直角三角形。而對(duì)于后面這個(gè)數(shù)量積為零的式子,由于這兩個(gè)向量都可以表示為a,b與c之間的減法,所以不妨設(shè)表示c的線段為AD。于是可以知道a-c對(duì)應(yīng)的線段是BD,b-c對(duì)應(yīng)的線段是CD??紤]數(shù)量積為零的幾何意義,就可以得到BD⊥CD。那么,D就在以BC為直徑的圓上,也就是說,D是該圓上一個(gè)動(dòng)點(diǎn)。

問題就轉(zhuǎn)化為了求BD的長度的最大值,也就是圓上一點(diǎn)(D)到一個(gè)定點(diǎn)(B)的最大值,那么就是當(dāng)BD過圓心時(shí)取得(兩邊之和大于第三邊)。所以答案為根號(hào)2。

觀察條件,發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)條件有幾何意義,但是不能確定多少圖形的畫法,并且最后一個(gè)式子看不出幾何意義。說明這道題并不是一開始就能用幾何法解決。于是嘗試先把題目代數(shù)化,而在代數(shù)做法里面,比較簡單的是坐標(biāo)表示,所以先嘗試用坐標(biāo)表示。由于e是個(gè)單位向量,那么不妨設(shè)e=(1,0), b=(x,y)。處理最后面的式子,得到:

觀察中間的式子,發(fā)現(xiàn)x,y最高次都是二次,前面系數(shù)相同,并且不存在x,y相乘的情況,可以聯(lián)想到這可能是個(gè)圓的方程,嘗試配方:

于是就可以判斷這是個(gè)圓心為(2,0),半徑為1的圓的方程。也就是說,b的終點(diǎn)的軌跡是這個(gè)圓。而對(duì)于a,由于它與e的夾角為60°,e=(1,0),所以它與x軸正方向的夾角也是60°??梢杂脙A斜角和斜率的關(guān)系求得a的終點(diǎn)的軌跡:


設(shè)a的終點(diǎn)為A,b的終點(diǎn)為B,最終求的目標(biāo)就轉(zhuǎn)化為AB的最小值。在平面直角坐標(biāo)系中畫出圖:

于是問題就轉(zhuǎn)化成了求定直線上一點(diǎn)(A),到定圓上一點(diǎn)(B)的距離。由于這個(gè)圖象關(guān)于x軸對(duì)稱,只考慮x軸上方的一支直線會(huì)更方便。

那么先嘗試構(gòu)造定值,于是連結(jié)BC,而A,B,C三點(diǎn)又構(gòu)成三角形,由于BC是定值,這時(shí)求AB的最小值就是求AC的最小值(因?yàn)锳B+BC>=AC)。也就是求直線上的一點(diǎn)(A)到直線外一定點(diǎn)的最短距離,所以只要用點(diǎn)到直線距離公式即可:

總結(jié)一下,這三道題目,如果用代數(shù)方法做,實(shí)際上都算比較復(fù)雜的,而用幾何方法做,不僅簡潔,而且不容易犯錯(cuò)。

而對(duì)于幾何解法來說,可以發(fā)現(xiàn)它的解題大概遵循一個(gè)過程:

1.把向量條件轉(zhuǎn)化為幾何語言。

2.根據(jù)幾何語言畫出幾何圖形。

3.通過明確要求的幾何最值,尋找最值的模型。從而解出最值。

實(shí)際上最關(guān)鍵的就是1和3,尤其是1,從第二題和第三題就可以發(fā)現(xiàn)幾何語言的轉(zhuǎn)化并不是很容易,有時(shí)甚至需要參數(shù)的引入,通過解析幾何來解決。

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