浙江 2018 · 数学 q09

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2018 · 数学 q09 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 已知 a,b,ea, b, e 是平面向量, ee 是单位向量. 若非零向量 aa 与 ee 的夹角为 π3\frac{\pi}{3}, 向量 bb 满足 b2−4e⋅b+3=0b^{2} - 4e \cdot b + 3 = 0, 则 ∣a−b∣|a - b| 的最小值是
    A. 3−1\sqrt{3} - 1
    B. 3+1\sqrt{3} + 1
    C. 2
    D. 2−32 - \sqrt{3}

答案

A

本题的知识树

2 概念 · 3 公式 · 1 题型 · 2 套路 · 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)

∣a−b∣|a-b| 的最小值 · bb 的终点在圆周上,aa 的终点在两条射线上 · 最终答案:A

冷启动:∣a−b∣|a-b| 是两点距离

ee 是单位向量,所以 ∣e∣=1|e|=1。把三个向量的起点都放在原点 OO,终点分别记成 AA、BB、EE。于是 ∣a−b∣|a-b| 就是线段 ABAB 的长度。

问的是这个长度能有多小。AA、BB 各自被一道条件钉在一条轨迹上:把两条轨迹画出来,最小值就是两条轨迹之间的最短距离。

解法一:配方看出圆,点到直线距离减半径

怎么想到的。 条件 b2−4e⋅b+3=0b^{2}-4e\cdot b+3=0 是关于 bb 的二次式。单位向量让 e2=1e^{2}=1,配方之后左边正好是 ∣b−2e∣2|b-2e|^{2},轨迹立刻变成圆。aa 与 ee 夹角固定,终点只能沿两条射线走。圆到射线的最短距离,是圆心到直线的距离再减半径。

① bb 的终点在圆周上。 ∣e∣=1|e|=1,所以

∣b−2e∣2=b2−4e⋅b+4e2=b2−4e⋅b+4.|b-2e|^{2}=b^{2}-4e\cdot b+4e^{2}=b^{2}-4e\cdot b+4.

题设 b2−4e⋅b+3=0b^{2}-4e\cdot b+3=0,代入得 ∣b−2e∣2=1|b-2e|^{2}=1。也就是 BB 在以 2e2e 的终点为圆心、半径 11 的圆上。这个圆过 ee 的终点,也过 3e3e 的终点——直径恰好是从 ee 到 3e3e 那一段。

把 ee 放到 xx 轴正方向:e=(1,0)e=(1,0)。圆心是 (2,0)(2,0),方程 (x−2)2+y2=1(x-2)^{2}+y^{2}=1。

② aa 的终点在两条射线上。 a≠0a\neq 0,与 ee 的夹角是 π3\dfrac{\pi}{3},所以 AA 落在从 OO 出发、斜率为 ±tan⁡π3=±3\pm\tan\dfrac{\pi}{3}=\pm\sqrt{3} 的两条射线上,不含原点:

y=3 x(x>0),y=−3 x(x>0).y=\sqrt{3}\,x\quad(x>0),\qquad y=-\sqrt{3}\,x\quad(x>0).

两条射线关于 xx 轴对称,到圆心 (2,0)(2,0) 的距离一样,下面只算上面那条。

③ 圆心到直线的距离减半径。 直线 3 x−y=0\sqrt{3}\,x-y=0,点 (2,0)(2,0) 到它的距离

d=∣23∣3+1=232=3.d=\frac{|2\sqrt{3}|}{\sqrt{3+1}}=\frac{2\sqrt{3}}{2}=\sqrt{3}.

3>1\sqrt{3}>1,直线与圆不相交。最短距离是 d−1=3−1d-1=\sqrt{3}-1。

垂足是 (12,32)\bigl(\tfrac12,\tfrac{\sqrt{3}}{2}\bigr),横坐标为正,落在射线(不是反向延长线)上,所以用整条直线算出来的距离就是射线到圆的距离。

选 A。

解法二:建系,把 ∣a∣|a| 当参数再对圆心距求最值

怎么想到的。 不想先把「射线到圆」翻译成点到直线时,把 ee 放到 xx 轴上,用 ∣a∣|a| 当自由参数。对每个固定的 aa,最近的 bb 就是圆心到 AA 的距离减半径;再让这个量对 ∣a∣|a| 取最小。

∣e∣=1|e|=1,所以 ∣b−2e∣2=b2−4e⋅b+4|b-2e|^{2}=b^{2}-4e\cdot b+4。题设 b2−4e⋅b+3=0b^{2}-4e\cdot b+3=0,故 ∣b−2e∣2=1|b-2e|^{2}=1。取 e=(1,0)e=(1,0),BB 在圆 (x−2)2+y2=1(x-2)^{2}+y^{2}=1 上。

aa 与 ee 夹角 π3\dfrac{\pi}{3}、a≠0a\neq 0,上面那条射线上的点写成 A=(r2,r32)A=\bigl(\tfrac{r}{2},\tfrac{r\sqrt{3}}{2}\bigr),r=∣a∣>0r=|a|>0。

AA 到圆心 (2,0)(2,0) 的距离

∣A−(2,0)∣=(r2−2)2+(r32)2=r2−2r+4=(r−1)2+3.\bigl|A-(2,0)\bigr|=\sqrt{\Bigl(\frac{r}{2}-2\Bigr)^{2}+\Bigl(\frac{r\sqrt{3}}{2}\Bigr)^{2}}=\sqrt{r^{2}-2r+4}=\sqrt{(r-1)^{2}+3}.

圆的半径是 11,而 (r−1)2+3≥3>1\sqrt{(r-1)^{2}+3}\ge\sqrt{3}>1,所以 AA 永远在圆外。对这个 AA,

min⁡B∣A−B∣=(r−1)2+3−1.\min_{B}|A-B|=\sqrt{(r-1)^{2}+3}-1.

(r−1)2+3≥3(r-1)^{2}+3\ge 3,等号当且仅当 r=1r=1。所以 (r−1)2+3−1\sqrt{(r-1)^{2}+3}-1 的最小值是 3−1\sqrt{3}-1。下面那条射线把 AA 的纵坐标翻号,到 (2,0)(2,0) 的距离不变。

选 A。

教学图:平面直角坐标系。圆心在 (2,0)、半径 1 的圆,两条射线 y=±√3 x(x>0)。从圆心向 y=√3 x 作垂线,垂足在射线上;圆心到射线的距离是 √3,再减半径 1,得到最小值 √3-1。官方答案 A

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