浙江 2008 · 数学 q17

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2008 · 数学 q17 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

(17) 若 a≥0,b≥0a \geq 0, b \geq 0, 且当 {x≥0,y≥0,x+y≤1\left\{\begin{array}{l} x \geq 0, \\ y \geq 0, \\ x + y \leq 1 \end{array} \right. 时, 恒有 ax+by≤1ax + by \leq 1, 则以 a,ba, b 为坐标点 P(a,b)\mathrm{P}(a, b) 所形成的平面区域的面积等于 ____。

答案

1

本题的知识树

6 概念 · 1 定理 · 1 题型 · 1 套路 · 2 易错点 · 最深 3 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

三角形上恒有 ax+by⩽1ax+by\leqslant 1,求 (a,b)(a,b) 的区域面积 · 只有三个顶点说了算 · 最终答案:1

冷启动:两个平面,别把它们搞混

题面:a⩾0a\geqslant0、b⩾0b\geqslant0,且当

{x⩾0y⩾0x+y⩽1\begin{cases} x\geqslant 0\\ y\geqslant 0\\ x+y\leqslant 1 \end{cases}

时恒有 ax+by⩽1ax+by\leqslant 1;求以 aa、bb 为坐标的点 P(a,b)P(a,b) 所形成的平面区域的面积。

第一件事:这道题里有两个平面。 (x,y)(x,y) 那个平面上住着一个固定的三角形; (a,b)(a,b) 那个平面上才是要求面积的区域。xx、yy 是跑遍三角形的哑变量,aa、bb 才是主角—— 问的是「哪些 (a,b)(a,b) 能让那句恒成立为真」。

第二件事:那个三角形是什么。 x⩾0x\geqslant0、y⩾0y\geqslant0、x+y⩽1x+y\leqslant1 围出的可行域是一个 以 (0,0)(0,0)、(1,0)(1,0)、(0,1)(0,1) 为顶点的直角三角形(含边界),有界、闭、凸。

第三件事:目标 ax+byax+by 对 (x,y)(x,y) 是线性的。 在 (a,b)(a,b) 固定之后, f(x,y)=ax+byf(x,y)=ax+by 是一次函数——它没有内部的极值,最大值只能被「推到边上」。 这句话是下面三条路的共同源头:恒成立 ⟺\Longleftrightarrow 最大值 ⩽1\leqslant 1, 而线性函数的最大值好求。

上下两块,画的是本题里那两个不同的平面。① xOy 平面:x\geqslant0、y\geqslant0、x+y\leqslant1 围出的直角三角形涂成淡蓝色、边界是蓝色实线,中间写着「可行域」;三个顶点是黑点,旁边分别标着「f=0」(原点)、「f=a」((1,0))、「f=b」((0,1)),右上角另注「f(x,y)=ax+by」。一条绿色实线是取一组合格的 (a,b) 时的直线 ax+by=1,它整条落在三角形外侧(两个截距都大于 1),标着「ax+by=1(合格的一组)」;一条红色虚线是把 a 取到大于 1 时的同族直线,它从 (1,0) 那个角切进了三角形,标着「a>1:直线切进来了」。② aOb 平面:以 (0,0)、(1,0)、(1,1)、(0,1) 为顶点的正方形涂成淡绿色、边界是绿色实线;四条边外侧分别标着「b\geqslant0」(下)、「a\geqslant0」(左)、「b\leqslant1」(上)、「a\leqslant1」(右);正方形内偏下写着「面积 =1\times1=1」;右上角顶点 (1,1) 是一个绿点,注「(1,1) 也在区域里」。两块的标题分别是「① xOy 平面:三角形是固定的,ax+by 对 (x,y) 是线性的;三个顶点给出的值分别是 0、a、b——恒成立就是这三个都不超过 1」与「② aOb 平面:0\leqslant a\leqslant1、0\leqslant b\leqslant1 围出的正方形;要求面积的是这一块,不是上面那个三角形——两个平面别搞混」

解法一:线性目标在三角形上的最大值只能在顶点取到,三个顶点各给一句话

怎么想到的。 「对区域里每一个点都成立」是一句全称命题,逐点验证是不可能的; 但只要把它换成「最大值 ⩽1\leqslant 1」,就只剩一个数要算。而线性函数在有界闭凸多边形上的最值 必在顶点取到——三角形只有三个顶点,于是一句全称命题被压成三个不等式。

① 把可行域与目标写清楚。 可行域

D={(x,y) | x⩾0, y⩾0, x+y⩽1}D=\left\{(x,y)\ \middle|\ x\geqslant0,\ y\geqslant0,\ x+y\leqslant1\right\}

是以 (0,0)(0,0)、(1,0)(1,0)、(0,1)(0,1) 为顶点的三角形(含边界),有界且闭。 目标 f(x,y)=ax+byf(x,y)=ax+by 在 (a,b)(a,b) 固定后是关于 (x,y)(x,y) 的线性函数。

② 恒成立 ⟺\Longleftrightarrow 最大值不超过 11。

∀(x,y)∈D: f(x,y)⩽1⟺max⁡Df⩽1\forall (x,y)\in D:\ f(x,y)\leqslant 1 \qquad\Longleftrightarrow\qquad \max_{D}f\leqslant 1

(DD 是有界闭集、ff 连续,最大值一定存在。)

③ 线性目标的最大值在顶点取到。 由最优解在可行域顶点,

max⁡Df=max⁡{f(0,0), f(1,0), f(0,1)}=max⁡{0, a, b}\max_{D}f=\max\left\{f(0,0),\ f(1,0),\ f(0,1)\right\}=\max\left\{0,\ a,\ b\right\}

④ 三个顶点各给一句话。 max⁡{0,a,b}⩽1\max\{0,a,b\}\leqslant1 等价于三条同时成立:

0⩽1 (恒真),a⩽1,b⩽10\leqslant 1\ (\text{恒真}),\qquad a\leqslant 1,\qquad b\leqslant 1

⑤ 连上题目自带的 a⩾0a\geqslant0、b⩾0b\geqslant0。 P(a,b)P(a,b) 的区域是

{(a,b) | 0⩽a⩽1, 0⩽b⩽1}\left\{(a,b)\ \middle|\ 0\leqslant a\leqslant1,\ 0\leqslant b\leqslant1\right\}

——边长为 11 的正方形(含边界)。

S=1×1=1S=1\times1=1

⑥ 边界算不算? 算。a=1a=1、b=1b=1 时 ax+by=x+y⩽1ax+by=x+y\leqslant1 对 DD 里每一点成立, 所以顶点 (1,1)(1,1) 是区域里的点。(边界是一条线,本来也不影响面积,但结论的形状要说对。)

解法二:先代两个特殊点得到必要条件,再用一次放缩把充分性补上

怎么想到的。 不想用任何定理时,「恒成立」有一套万能的两步走: 先随手代几个点,逼出参数的必要条件;再回头证明这些条件确实够用。 两步缺一不可——只做第一步,得到的只是「至少要满足这些」。

① 必要性:代两个顶点。 先确认它们确实在可行域里:

  • (x,y)=(1,0)(x,y)=(1,0):1⩾01\geqslant0、0⩾00\geqslant0、1+0⩽11+0\leqslant1 ✓,代入得 a⋅1+b⋅0=a⩽1a\cdot1+b\cdot0=a\leqslant1;
  • (x,y)=(0,1)(x,y)=(0,1):同理在可行域里,代入得 b⩽1b\leqslant1。

于是必须有 a⩽1a\leqslant1 且 b⩽1b\leqslant1。(注意这里只用了「恒成立」的两个特例, 所以得到的是必要条件;到此为止还不能说区域就是正方形。)

② 充分性:一行放缩。 反过来设 0⩽a⩽10\leqslant a\leqslant1、0⩽b⩽10\leqslant b\leqslant1。 任取可行的 (x,y)(x,y),即 x⩾0x\geqslant0、y⩾0y\geqslant0、x+y⩽1x+y\leqslant1,则

ax+by ⩽ 1⋅x+1⋅y = x+y ⩽ 1ax+by\ \leqslant\ 1\cdot x+1\cdot y\ =\ x+y\ \leqslant\ 1

第一个不等号用的是 a⩽1a\leqslant1、b⩽1b\leqslant1 配上 x⩾0x\geqslant0、y⩾0y\geqslant0—— xx、yy 的非负性是它的命根子:若 xx 可以取负,ax⩽xax\leqslant x 就反过来了。

③ 两步合起来。 必要性说「只能在这个正方形里」,充分性说「正方形里每一点都行」, 于是 P(a,b)P(a,b) 的区域恰好是

{(a,b) | 0⩽a⩽1, 0⩽b⩽1},S=1\left\{(a,b)\ \middle|\ 0\leqslant a\leqslant1,\ 0\leqslant b\leqslant1\right\}, \qquad S=1

④ 为什么只代两个点就够。 因为第 ② 步证明了这两个条件已经充分; 代得再多也不会把区域缩得更小。反过来,如果只代 (x,y)=(12,12)(x,y)=\left(\tfrac12,\tfrac12\right), 得到的是 a+b⩽2a+b\leqslant2——这是一个更弱的必要条件,单靠它会把区域说成一个更大的三角形,面积算成 22。 代哪个点、够不够用,只能靠第 ② 步来裁决。

解法三:把三角形切成一族平行线段,先扫线段、再扫 s=x+ys=x+y

怎么想到的。 不引用任何线性规划的结论,也可以把二元的恒成立降成两次一元的: 三角形可以按 x+y=sx+y=s 切成一族平行线段(ss 从 00 走到 11); 在每条线段上 ax+byax+by 是一元一次函数,最值在端点——这是初中就会的事实。

① 切片。 令 s=x+ys=x+y。(x,y)(x,y) 跑遍可行域 ⟺\Longleftrightarrow ss 跑遍 [0,1][0,1],且在每个 ss 上 xx 跑遍 [0,s][0,s]、y=s−xy=s-x。

② 每条线段上的最大值。 固定 ss,把 y=s−xy=s-x 代进去:

ax+by=ax+b(s−x)=bs+(a−b) x,x∈[0,s]ax+by=ax+b(s-x)=bs+(a-b)\,x,\qquad x\in[0,s]

这是 xx 的一次函数(a=ba=b 时是常值),最大值在区间端点取到:

max⁡x∈[0,s](bs+(a−b)x)=max⁡{bs, as}=s⋅max⁡{a,b}\max_{x\in[0,s]}\left(bs+(a-b)x\right)=\max\left\{bs,\ as\right\}=s\cdot\max\{a,b\}

(x=0x=0 给 bsbs,x=sx=s 给 asas;取大即可,不必管 aa、bb 谁大。)

③ 再扫 ss。 于是「恒成立」等价于

s⋅max⁡{a,b}⩽1对一切 s∈[0,1]s\cdot\max\{a,b\}\leqslant1\quad\text{对一切 }s\in[0,1]

左边关于 ss 是非负系数的正比例函数(max⁡{a,b}⩾0\max\{a,b\}\geqslant0,因为 a,b⩾0a,b\geqslant0), s=1s=1 时最苛刻,故条件等价于

max⁡{a,b}⩽1⟺a⩽1 且 b⩽1\max\{a,b\}\leqslant1 \qquad\Longleftrightarrow\qquad a\leqslant1\ \text{且}\ b\leqslant1

④ 收尾。 加上 a⩾0a\geqslant0、b⩾0b\geqslant0,区域是单位正方形,

S=1×1=1S=1\times1=1

⑤ 这条路用了什么。 只有两件事:「一次函数在闭区间上最值在端点」用了一次(第 ② 步), 「正比例函数在 [0,1][0,1] 上最大值在 s=1s=1」又用了一次(第 ③ 步)。 没有用到顶点定理,也没有代任何特例。

三条路回头看。 解法一最快:认出「线性目标 + 凸多边形」,写下三个顶点的值就完事, max⁡{0,a,b}⩽1\max\{0,a,b\}\leqslant1 这一行几乎就是答案。解法二不依赖任何定理, 代价是必须把必要与充分两头都走完——它也最能说明「代特例」的边界在哪里。 解法三把二元问题拆成两次一元问题,是三条里最「土」也最不依赖记忆的一条, 而且它顺带给出了一个更一般的结论:在这个三角形上,max⁡(ax+by)=max⁡{0,a,b}\max(ax+by)=\max\{0,a,b\}(aa、bb 可正可负时也对)。

几何上看是什么。 当 a>0a>0、b>0b>0 时,直线 ax+by=1ax+by=1 在两轴上的截距是 1a\dfrac1a、1b\dfrac1b。 条件「三角形整个在 ax+by⩽1ax+by\leqslant1 这一侧」就是要这条直线不切进三角形, 即两个截距都不小于 11:1a⩾1\dfrac1a\geqslant1、1b⩾1\dfrac1b\geqslant1,正是 a⩽1a\leqslant1、b⩽1b\leqslant1。 aa 或 bb 一旦超过 11,对应那个截距就小于 11,直线立刻从那个角上切下一块三角形来, 被切下的部分里的点就违反了恒成立。

换个数会怎样。 若把右边的 11 换成 k>0k>0,同样的推理给 0⩽a⩽k0\leqslant a\leqslant k、0⩽b⩽k0\leqslant b\leqslant k, 面积是 k2k^{2};若把可行域换成 x+y⩽cx+y\leqslant c(c>0c>0),顶点变成 (c,0)(c,0)、(0,c)(0,c), 条件变成 ac⩽1ac\leqslant1、bc⩽1bc\leqslant1,面积是 1c2\dfrac{1}{c^{2}}。本题 k=c=1k=c=1,面积恰好也是 11。

🕳️ 避坑

  • 别把两个平面搞混。 三角形画在 xOyxOy 平面上,要求面积的区域画在 aObaOb 平面上。 算面积的是后者;前者的面积是 12\dfrac12,与答案无关。
  • 代一个特例不等于恒成立。 只代 (12,12)\left(\tfrac12,\tfrac12\right) 得到 a+b⩽2a+b\leqslant2, 区域会被说成一个面积为 22 的三角形——它是必要条件,不是充要条件。 必要条件只能把区域框大,要收紧必须回头证充分性。
  • 放缩 ax⩽xax\leqslant x 用到了 x⩾0x\geqslant0。 这一步是充分性的全部力气所在; 若可行域允许负的 xx,a⩽1a\leqslant1 就再也推不出 ax⩽xax\leqslant x 了。
  • (0,0)(0,0) 这个顶点不是废话。 它给出的 0⩽10\leqslant1 恒真,但那是因为题目额外给了 a⩾0a\geqslant0、b⩾0b\geqslant0; 若去掉这两条,aa、bb 可以任意负,区域会变成一个无界的角形,面积无穷大。
  • 边界要不要包含,说清楚。 a=1a=1、b=1b=1 都满足条件(此时 ax+by=x+y⩽1ax+by=x+y\leqslant1), 所以区域是闭正方形。面积不受影响,但写区域时不要漏掉等号。

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