立體幾何中與長度有關的動態最值問題選題解析

2020-12-20 曹老師的高中數學課

立體幾何中的最值問題常以哪些思路進行分析?既然有最值,則就有未知的數值,這種數值若從函數角度分析可能是某條未知的線段,某個未知的角度,若從幾何的角度分析,可能是某個點的特定位置,或類似於螞蟻爬盒子之類的兩點之間直線最短,又或者是兩條異面直線最短距離的公垂線等等,動態最值問題是立體幾何中綜合性和難度較強的一類問題,與此類似的是動態定值問題,這個以後再說,常見的題型如下:

1.距離或線段長的最值,例如某年高考真題中的爬盒子問題,或求異面直線之間的距離問題。

2.線段之和的最值,最常於一個定點和兩個動點的距離和問題中,將兩個不共面的平面展開成一個平面,利用點到直線的距離求即可。

3.體積或面積的最值,一種情況是能確定出動點在哪個位置時滿足體積或面積的最值,第二種情況就是常見的設線段,找未知量的關係,建立函數求最值。

解題時一定要注意動點和定點的聯繫,從而轉化為不定線段和確定線段之間的關係,因為有動點,動點不是亂點,會滿足特定的幾何關係,因此還需掌握立體幾何中動點軌跡判定的相關知識。

時間有限,今天先給出幾個與線段或線段之和有關的最值問題,與面積或體積有關的最值問題日後再慢慢給出。

先問一個小知識,假如不與平面α垂直且在平面α外的一個三角形在平面α上的投影永遠都是一個直角三角形嗎?

當然不是,投影可為直角三角形,鈍角三角形或銳角三角形,當直角三角形一個直角邊為平面α內或一條直角邊與平面α平行時,此時的射影依舊為直角三角形;當直角三角形的斜邊在平面α內或與平面α平行時,此時的投影為鈍角三角形,這兩種情況之外有可能會出現銳角三角形,重點需要注意直角三角形在平面內的射影依舊是直角三角形的情況,證明時可先做出對應的射影圖形,再在平面α內作出與原直角三角形全等的三角形,比較兩個三角形的形狀即可,這裡不展開了。

題目很容易想到的答案是[0,5],當EF與平面α平行時投影最長,此時投影長度即為EF的長度,當EF與平面α垂直時投影為一個點,此時投影長度為零,但是答案並非如此,當四面體繞著AB旋轉時,EF永遠不可能與平面α垂直,因此投影也永遠不可能是一個點。

若取AC的中點G,可判斷出△EFG為直角三角形,且GF//平面α,所以△EFG在平面α上的投影也為直角三角形,且GF//平面α,則GF的投影為定值,長度與GF相等,所以EF在平面α上投影的長度只與EG投影長度有關,當四面體旋轉時EF可與平面α垂直,這樣根據EG投影長度的最值即可求出EF投影的最值,過程如下:

解讀:錐體中的變化量為PD的長度和∠PED的角度,用常規套路確定出球心的位置在EF上,可知在直角三角形PEF中,EF為其中一條直角邊,斜邊PE的長度確定,設∠PED,根據三角函數即可確定出EF的最大值。

隨著P點移動,O點的位置也在EF上移動,根據題目所示,O點在錐體內,則OE<EF,因此可用OE的變動表示出EF的變動,在上圖右側根據餘弦值可找到OE和EF長度乘積的定值,稍微放縮一下即可得到EF的最小值,題目的關鍵是將立體轉化為平面三角形,找到其中的變量和定值之間的關係即可。

[注意求O1E的時候不能直接2:1,千萬把重心和外心區分開]

解讀:之前推送過一篇立體幾何中動點的軌跡問題,連結為立體幾何中的動點軌跡問題,在本題目中滿足MN⊥平面PCE,能初步判斷N點的軌跡為平面PCE中的某條線段,這樣求AM+MN的最小值只需要將兩個平面展成同一個平面,利用點到直線的距離即可。

本題目很容易看成是正方體中的一個角,因此通過建立坐標系來解也是一種方法,但是最後AM+MN的表達式是一個一次函數加上一個帶根式的二次函數的形式,很遺憾沒辦法求最值,因此題目只能把N點的軌跡找出來。

因為AB⊥PE,AB⊥CE,則AB⊥平面PCE,取CE的中點O,連接OD,則OD⊥平面PCE,連接PO,作MN//DO,則MN⊥平面PCE,這樣就找到了N點的軌跡為線段PO,再把平面POD和平面PAD展開即可。

本題目相對簡單,四邊形由兩個全等的三角形組成,在△BFD1中,底邊長BD1已知,只需求點F到BD1距離的最小值即可,因為BD1和CC1為異面直線,只需求出兩條異面直線之間的距離即可。

之前推送中給出了射影法求異面直線的距離,連結為:投影法求異面直線之間的距離,因為CC1和BD1在底面ABCD的投影分別為點C和線段BD,可知點C到線段BD之間的距離即為兩條異面直線之間的距離,題目不難,過程就不再給出了。

解讀:本題目的考試意義不大,重點知道怎麼把題目中的MN/√2轉化為某條線段即可,在所給的條件中若出現一個以MN為斜邊的等腰直角三角形,則MN/√2即等價於該等腰直角三角形的直角邊,因此找到等腰直角三角形是解題的關鍵。

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