冷启动:题面只有一句话,但它藏了一个三角形
原卷把 α 印成了 a(本站转写照留),题面说的是两个平面向量 α、β:
- α=0、α=β;
- ∣β∣=1;
- α 与 β−α 的夹角是 120∘;
- 求 ∣α∣ 的取值范围。
第一件事:把三个向量摆到图上。 取一个公共起点 O,令
OA=α,OB=β⟹AB=OB−OA=β−α.
题面里那三个量于是全部落到了 O、A、B 三个点上:∣α∣=∣OA∣(所求)、∣β∣=∣OB∣=1(已知)、∣β−α∣=∣AB∣(不问,但马上要用)。
第二件事:O、A、B 真的构成三角形吗? 要点是三点不共线:
- α=0 给出 A=O;
- α=β 给出 AB=β−α=0,即 A=B;
- 若 O、A、B 共线,则 α 与 β−α 平行,夹角只能是 0∘ 或 180∘,与题给的 120∘ 矛盾。
所以 △OAB 是一个货真价实的三角形。题面给的两个「不等于」不是摆设,它们正是「能摆成三角形」的那一半条件;另一半由 120∘ 负责。 这两句话后面还要再用一次——它们决定了答案那个区间左端点是开的。
第三件事(本题的机关):120∘ 不是三角形的内角。 向量的夹角,是把两条向量的起点挪到同一处之后量出来的。α=OA 指向 A,而 β−α=AB 从 A 出发——一进一出。把 α 平移到以 A 为起点,它指向 A 的外侧,于是
∠(α, β−α)+∠OAB=180∘⟹∠OAB=180∘−120∘=60∘.
这一步错了,正弦定理还会给出对的边(sin120∘=sin60∘),错误要等到用内角和裁范围、或者用余弦定理时才爆出来(易错点「向量夹角当成三角形内角」)。图上的办法最稳:在 A 处补一条与 α 同向的虚线射线,把 120∘ 标在它与 AB 之间,60∘ 标在三角形内侧,两个角分开画。
到这里,原题已经被完整地翻译成一句话:
△OAB 中 ∠OAB=60∘、∣OB∣=1,求 ∣OA∣ 的取值范围。
」「|\alpha|=\frac{2\sqrt{3}}{3}\sin\angle OBA\in\left(0,\frac{2\sqrt{3}}{3}\right]」,末行是绿色;其下一行灰字写「换个说法:|OA| 是那个圆的一条弦,弦最长就是直径——这正是 \angle OBA=90^{\circ} 那一刻」;最后一行绿字写「|\alpha|\in\left(0,\frac{2\sqrt{3}}{3}\right]」。](/_astro/q16-figure.U75eIIsP_oLNSj.webp)
解法一:原卷路线——补角定出内角,正弦定理把 ∣α∣ 写成一个正弦的倍数
第一步:内角。 由冷启动,△OAB 存在,且
∠OAB=180∘−120∘=60∘.
第二步:另外两个角还剩多少自由度。 三角形内角和是 180∘,∠OAB 已占去 60∘:
∠AOB+∠OBA=120∘.
两个角都是三角形的内角,都严格大于 0∘,所以
0∘<∠OBA<120∘.
(这一步就是「120∘ 到底是哪个角」的分水岭:若误把内角当成 120∘,这里得到的是 0∘<∠OBA<60∘,范围凭空窄了一半。)
第三步:正弦定理。 在 △OAB 中,∠OBA 的对边是 OA,∠OAB 的对边是 OB:
sin∠OBA∣OA∣=sin∠OAB∣OB∣=sin60∘1=231=32=323.
于是所求的量被写成了一个角的正弦的固定倍数:
∣α∣=∣OA∣=323sin∠OBA.
第四步:读 sin 在那个区间上的值域。 记 θ=∠OBA∈(0∘,120∘)。sin 在 (0∘,90∘] 上从 0(不含)递增到 1,在 [90∘,120∘) 上从 1 递减到 23(不含)。两段合起来:
sinθ∈(0,1].
最大值 1 是取得到的——θ=90∘ 落在 (0∘,120∘) 里面(易错点「不等式求最值漏验等号」:写到 sinθ⩽1 就收笔,还差这一句)。而 0 取不到:θ>0∘ 是严格的,它来自「O、A、B 不共线」——而不共线是三个条件合起来的结果:α=0 与 α=β 保证两条向量都不是零向量、夹角有定义,真正排除共线的是「夹角是 120∘」这一句(共线时夹角只能是 0∘ 或 180∘)。
所以
∣α∣=323sinθ∈(0, 323].
第五步:反过来验一遍——区间里每个数都真的取得到。 上面只证明了「∣α∣ 必落在这个区间里」,还要说明区间里没有多余的数。任取 θ0∈(0∘,120∘),造一个三角形:
∠OAB=60∘,∠OBA=θ0,∠AOB=120∘−θ0>0∘,∣OB∣=1.
三个角为正且和为 180∘,再固定一条边长,这样的三角形存在。令 α=OA、β=OB,则 α=0、α=β,∣β∣=1,α 与 β−α 的夹角是 180∘−60∘=120∘——题设全部满足,而 ∣α∣=323sinθ0。θ0 跑遍 (0∘,120∘) 时 sinθ0 跑遍 (0,1],故 ∣α∣ 恰好跑遍 (0,323]。
解法二:一条辅助线都不画——把两个模当未知数,判别式管住其中一个
怎么想到的。 题面里只有两个长度值得起名:所求的 ∣α∣,和那条没人问的 ∣β−α∣。∣β∣=1 这个条件把它们绑成了一个方程。所求的量要有取值范围,无非是「另一个未知数还有没有活路」——这正是判别式管的事。
第一步:把 ∣β∣=1 展开成一个方程。 记
t=∣α∣>0,u=∣β−α∣.
α=0 给出 t>0,α=β 给出 u>0。由 β=α+(β−α) 两边取模平方,展开:
∣β∣2=∣α∣2+∣β−α∣2+2α⋅(β−α).
而 α 与 β−α 的夹角是 120∘,故 α⋅(β−α)=tucos120∘=−21tu。代入 ∣β∣=1:
t2−tu+u2=1
(换成几何的说法,这就是 △OAB 里对着 ∠OAB=60∘ 的那条余弦定理:∣OB∣2=∣OA∣2+∣AB∣2−2∣OA∣∣AB∣cos60∘。两条路写出来的是同一个式子。)
第二步:把它当成关于 u 的二次方程。 整理:
u2−tu+(t2−1)=0.
题设成立 ⟺ 存在正数 u 满足它。
第三步:必要性——判别式非负。 u 是实数,故
Δ=t2−4(t2−1)=4−3t2⩾0⟹t2⩽34⟹0<t⩽32=323.
第四步:充分性——每个这样的 t 都配得出一个正的 u。 设 0<t⩽323,此时 Δ=4−3t2⩾0,方程的两根是
u=2t±4−3t2.
取加号那一支:
u+=2t+4−3t2>0
(t>0,根号部分 ⩾0,分子严格为正)。有了这对正数 (t,u+),就能把向量造出来:取 α 为任意一条长度为 t 的向量,再取一条与它成 120∘ 角、长度为 u+ 的向量 γ,令 β=α+γ。则 β−α=γ,夹角是 120∘;t>0 给出 α=0;u+>0 给出 β−α=0 即 α=β;而
∣β∣2=t2−tu++u+2=1
正是第一步那个方程,故 ∣β∣=1。题设全部满足。
第五步:合起来。 第三步说「只能在这个区间里」,第四步说「区间里每个数都在」,于是
∣α∣∈(0, 323].
这条路一个图都不用画,代价是要老老实实分两头论证:判别式给的是必要条件,「取得到」还得回头造一个例子。只写第三步就下结论,是本题最常见的半截答案(易错点「不等式求最值漏验等号」)。
顺带看一眼右端点长什么样。 t=323 时 Δ=0,两根重合成 u=2t=33。此时 t2=34=u2+1,即 ∣OA∣2=∣AB∣2+∣OB∣2——∠OBA 恰是直角。这与第三条解法里「OA 成为直径」说的是同一件事。
解法三:定角对定弦——A 只能在一段弧上跑,∣OA∣ 是这个圆的弦
怎么想到的。 冷启动把题目翻译成了「∠OAB=60∘、∣OB∣=1」。一个角定死、它所对的边也定死——这对条件在几何上不是「两个数」,而是一条曲线:顶点 A 的活动范围正是一段圆弧(套路「定角对定弦定出一段圆弧」)。画出那段弧,所求的 ∣OA∣ 就成了这个圆的一条弦,而弦的最大值是初中就会的结论。
第一步:那个圆有多大。 正弦定理的完整形态里,比值就是外接圆直径:
2R=sin∠OAB∣OB∣=sin60∘1=323.
O、B 是定点,∠OAB=60∘<90∘,所以 A 落在以 OB 为弦的那段优弧上(图中深蓝色粗线那一段),两个端点 O、B 要挖掉——A=O 就是 α=0,A=B 就是 α=β,题面明令禁止。
(严格说,使 ∠OAB=60∘ 的点是两段弧——直线 OB 两侧各一段,互为镜像。图上只画了上面那段;下面那段是它关于 OB 的翻折,每个位置的 ∣OA∣ 与镜像位置逐位相同,故只在一段上讨论不会漏掉任何取值。)
第二步:上界。 O 与 A 都在这个圆上,OA 是它的一条弦,而圆里最长的弦是直径:
∣α∣=∣OA∣⩽2R=323.
第三步:等号取得到吗。 ∣OA∣=2R 当且仅当 OA 恰是直径,即 A 落在 O 的对径点 A′ 上。要紧的是问一句:A′ 在不在那段开弧上?
- A′=O:对径点与原点相距 2R>0;
- A′=B:若 A′=B,则 OB 是直径,可 ∣OB∣=1<323=2R,矛盾;
- A′ 与 O、B 不共线:OA′ 是直径,故直径所对的圆周角 ∠OBA′=90∘,B 不在直线 OA′ 上。
三条都过,A′ 确实在那段开弧上。把 A 放到 A′,∠OBA=90∘、∠OAB=60∘、∠AOB=30∘,题设全部满足,此时 ∣α∣=323——上界是取得到的最大值。
第四步:下界与中间的值。 A 在那段开弧上连续地跑,∣OA∣ 随之连续变化:贴近端点 O 时 ∣OA∣ 任意接近 0 但永远大于 0(A=O);跑到 A′ 时取到 323。由连续性(介值),从 O 端到 A′ 这一段弧上,∣OA∣ 取遍了 (0,323] 中的每一个值。再配上第二步的上界:
∣α∣∈(0, 323].
这条路的好处是「为什么是这个区间」全写在图上。 右端点闭,是因为对径点在弧上;左端点开,是因为弧的端点被挖掉了。两个端点的开闭不再靠记忆,而是看得见的。
答案
(0, 323]
三条路都落在同一个区间上。323=32≈1.155,比 ∣β∣=1 略大——∣α∣ 是可以超过 ∣β∣ 的,取到最大值时 △OAB 是一个 30∘–60∘–90∘ 的直角三角形。