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用幾何方法解決向量中的最值問題

盡管學(xué)了不少相關(guān)的運算律,向量感覺還是很難去運算的一種量,因為難以與實數(shù)建立聯(lián)系。而把代數(shù)問題實數(shù)化的方法,其實也就是幾何和代數(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,將絕對值符號去掉之后構(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。而對于不等式的意義,先整體觀察到兩邊絕對值內(nèi)的都是兩個向量的差,于是嘗試構(gòu)造另一個與e同起點的向量a。對于右邊,把它們的終點相連,此時得到的這條新的線段長度,就是不等式右邊的模的意義。而對于左邊,觀察到e作了數(shù)乘運算,從幾何意義上說,它就是被伸縮了(可以正向,也可以反向)。所以這個新產(chǎn)生的線段與e的交點是在e所在的直線上移動的,另外一個端點就是a的終點。把圖構(gòu)造出來:

再觀察這個不等式,就可以意識到實際上它描述的是一個定點(a的終點)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,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是個等腰直角三角形。而對于后面這個數(shù)量積為零的式子,由于這兩個向量都可以表示為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對應(yīng)的線段是BD,b-c對應(yīng)的線段是CD。考慮數(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是該圓上一個動點。

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

觀察條件,發(fā)現(xiàn)前兩個條件有幾何意義,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)想到這可能是個圓的方程,嘗試配方:

于是就可以判斷這是個圓心為(2,0),半徑為1的圓的方程。也就是說,b的終點的軌跡是這個圓。而對于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°。可以用傾斜角和斜率的關(guān)系求得a的終點的軌跡:


設(shè)a的終點為A,b的終點為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(A),到定圓上一點(B)的距離。由于這個圖象關(guān)于x軸對稱,只考慮x軸上方的一支直線會更方便。

那么先嘗試構(gòu)造定值,于是連結(jié)BC,而A,B,C三點又構(gòu)成三角形,由于BC是定值,這時求AB的最小值就是求AC的最小值(因為AB+BC>=AC)。也就是求直線上的一點(A)到直線外一定點的最短距離,所以只要用點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。

而對于幾何解法來說,可以發(fā)現(xiàn)它的解題大概遵循一個過程:

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,有時甚至需要參數(shù)的引入,通過解析幾何來解決。

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