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第33章 数学的优雅(1)

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一个多月了,陈航已经完成高中语文,同时英语语法框架早已搭建完毕,如今就是不断地进行单词库的补充。而陈航的能力,对于初高中那点词汇量,早已完成。

如今,陈航也是临近高中数学的结尾了。

过去的日子,陈航构建完他自己的体系框架,便开始刷题。

这也没花多少时间。

就比如那些基础题,只扫过一眼就能够得出答案。

对于中档题,也不过停留一两秒,就可以将这道题的所有解法给想出来了。

如今,已经是进入刷题冲刺的结尾阶段,难题和顶尖难题。

此刻的陈航,就是在解决这些题。

而陈航的实力也是没有被这些难题难住。

比如这样一道题:

如图所示,已知抛物线x2=y,点A(-1/2,1/4),B(3/2,9/4),抛物线上的点P(x,y)。过点B作直线AP的垂线,垂足为Q。

(1) 求直线AP斜率的取值范围;

(2) 求丨PA丨·丨PQ丨 的最大值。

这是一道非常经典的解析几何压轴题,融合了直线、抛物线、垂直关系以及平面向量的数量积,通常作为试卷的倒数第二题或者压轴题出现,目的是筛选掉那百分之九十五的普通学生。

然而这对于陈航来说,却是享受。

第一问,直线AP斜率。

点P在抛物线上,坐标参数化。直线斜率公式k=(y2-y1)/(x2-x1)。这是一个简单的代数分式,结合P点横坐标的范围(-1/2,3/2),直接代入求值域。

没有难度,直接计算就能得出k∈(-1,1)。

像这样的题目第一问几乎完全没有难度,只要基础知识过关,分数是必得的。

难的是第二问。

这道题第二问难度还好,就陈航就能想到有多种做法。

第一种做法,蛮力破拆。

经典的设方程、联立、韦达定理、代入条件公式计算。也就是设出直线AP的方程,联立抛物线方程,利用韦达定理得出x1+x2。然后利用勾股定理丨BQ丨2+丨AQ丨2=丨AB丨2,结合弦长公式计算丨AP丨=丨x1-x2丨·√(1+k)2、点到直线的距离公式计算丨BQ丨、丨PQ丨=丨AQ丨-丨AP丨即可得到丨PA丨·丨PQ丨=(1-k2)·(1+k)2,结合k∈(-1,1)求导即可计算得出最大值。

第二种做法,相关点法。

既然点A坐标已知,可以把相关点的坐标都求出来。设出直线AP的方程,同样的联立同样的韦达定理得出x1+x2=k,而其中的一个点A坐标就是一个解,如此如果设点A(x1,y1),P(x2,y2),Q(x3,y3),那么x2=k+1/2,利用直线AP的方程计算出y2,即可用k表示P的坐标。而Q可以用直线AP表示为(x3,k(x3+1/2)+1/4),利用AQ⊥BQ,那么利用向量AQ与向量BQ为0进行计算,最后也能算出k表示Q的坐标。最后利用两点间距离公式得出丨PA丨和丨PQ丨,然后计算,之后步骤同解法一。

第三种做法,参数方程法

根据抛物线的参数方程,可以设P(t,t2)(t∈(-1/2,3/2)),Q(x3,y3)。如此两点间距离公式得丨AP丨=(t+1/2)√(t2-t+5/4),接下来就是利用AQ⊥BQ,AP与AQ共线,那么用向量的方式表示,利用斜率公式列出方程组。最终能计算出点Q的横坐标x3,进一步即可求出丨PQ丨,最后可以计算出丨PA丨·丨PQ丨=1/16·(-16t?+24t2+16t+3),依旧是求导计算单调性和最值即可。

第四种做法,几何视角的圆方程辅助求解

既然∠AQB=90°,那么点Q一定在以AB为直径的圆上。以AB为直径的圆E:(x-1/2)2+(y-5/4)2=2,由直线AP方程联立圆E,即可解得Q的坐标,也是k表示。根据圆幂定理或者弦长几何关系,可以求出P点坐标,从而得出丨PQ丨,最后计算与第一种做法和第二种做法得到一样的方程,后续步骤也一样。

第五种做法,一些小知识的运用,向量数量积的几何意义。

因为丨PQ丨是向量PB在向量PQ上的投影,所以丨PA丨·丨PQ丨=-向量PA·向量PQ=-向量PA·向量PB,然后依旧是参数方程的设法设P(t,t2)(t∈(-1/2,3/2)),再用两点间距离公式得到关于t的四次方程,依旧是求导计算单调性即可。

第六种做法,在第五种做法的基础上,继续化简,一般称为计划恒等式。同样是用投影来到最后的那一步丨PA丨·丨PQ丨=丨-向量PA·向量PB丨,此时去AB中点为M,由极化恒等式可得向量PA·向量PB=向量PM2-向量BM2,由此A,B为定点,向量BM模长就是定下来的,那么只需要计算向量PM的模长最小值,也就是P到M的最小距离,即可得到丨PA丨·丨PQ丨的最大值。这就转化成了求抛物线上一点到定点的距离最值问题。设圆M与抛物线相切,联立方程,判别式等于0,或者直接用几何法求法线。最终能直接计算得出结果。

六种做法,从代数硬算到几何巧解,再到向量与极化恒等式的降维打击。这就是数学的魅力,也是陈航建立的体系的力量,能够把知识关联起来,让陈航做题的时候武器库丰沛,总能找到多种做法,并找出最优雅的那条路径,于复杂中看清本质。

普通学生看到的是题目,他看到的是结构。

普通学生在迷宫里找路,他在空中俯瞰迷宫。

从解三角形刷到函数,从解析几何刷到立体几何,从不等式刷到组合数学,从导数刷到新定义……

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