冷启动:全题只有一个未知数
题面给了四样东西,先把它们各自的作用认清:
e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 是单位向量 —— 于是 e ⃗ 1 2 = e ⃗ 2 2 = 1 \vec e_1^{\,2}=\vec e_2^{\,2}=1 e 1 2 = e 2 2 = 1 ,
以后每次展开都少两个字母;
∣ 2 e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ∣ ⩽ 2 |2\vec e_1-\vec e_2|\leqslant\sqrt2 ∣2 e 1 − e 2 ∣ ⩽ 2 是约束 —— 它管的其实是 e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 的夹角;
a ⃗ = e ⃗ 1 + e ⃗ 2 \vec a=\vec e_1+\vec e_2 a = e 1 + e 2 、b ⃗ = 3 e ⃗ 1 + e ⃗ 2 \vec b=3\vec e_1+\vec e_2 b = 3 e 1 + e 2 是目标里的两个向量 ;
问的是 cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 的最小值,θ \theta θ 是 a ⃗ , b ⃗ \vec a,\vec b a , b 的夹角。
关键的一步在动笔之前:
关键卡点:把 e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 \vec e_1\cdot\vec e_2 e 1 ⋅ e 2 设成一个字母 t t t 。 单位向量的一切数量积与模平方
都是它的一次式,于是整道题从「两个向量、一个不等式、一个角」压成一个变量的函数在一个区间上求最值 。
这是向量夹角与模的最值 这一类题的固定入口。设 α \alpha α 为 e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 的夹角,
则 t = e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 = cos α t=\vec e_1\cdot\vec e_2=\cos\alpha t = e 1 ⋅ e 2 = cos α (两个模都是 1 1 1 ),并且**t t t 自带范围 − 1 ⩽ t ⩽ 1 -1\leqslant t\leqslant1 − 1 ⩽ t ⩽ 1 **。
先把约束翻译过去。求模一律先平方(平面向量的数量积 那座桥:x ⃗ 2 = ∣ x ⃗ ∣ 2 \vec x^{\,2}=|\vec x|^2 x 2 = ∣ x ∣ 2 ):
∣ 2 e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ∣ 2 = 4 e ⃗ 1 2 − 4 e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 + e ⃗ 2 2 = 4 − 4 t + 1 = 5 − 4 t ⩽ 2 ⟹ t ⩾ 3 4 . |2\vec e_1-\vec e_2|^2=4\vec e_1^{\,2}-4\vec e_1\cdot\vec e_2+\vec e_2^{\,2}
=4-4t+1=5-4t\leqslant 2
\;\Longrightarrow\;t\geqslant\frac34 . ∣2 e 1 − e 2 ∣ 2 = 4 e 1 2 − 4 e 1 ⋅ e 2 + e 2 2 = 4 − 4 t + 1 = 5 − 4 t ⩽ 2 ⟹ t ⩾ 4 3 .
与 t ⩽ 1 t\leqslant1 t ⩽ 1 一并写下来:
t ∈ [ 3 4 , 1 ] \boxed{\,t\in\left[\tfrac34,\,1\right]\,} t ∈ [ 4 3 , 1 ]
这个闭区间是后面所有讨论的舞台,两个端点都要留着 :左端点是约束给的,右端点是余弦自带的。
顺手记一个数:t ⩾ 3 4 t\geqslant\frac34 t ⩾ 4 3 意味着 α ⩽ arccos 3 4 ≈ 41.4 ∘ \alpha\leqslant\arccos\frac34\approx41.4^\circ α ⩽ arccos 4 3 ≈ 41. 4 ∘ ,
两个基向量被逼得相当靠近——a ⃗ , b ⃗ \vec a,\vec b a , b 也就几乎同向,cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 只能在 1 1 1 附近的一个窄窗里动。
三个二次量也一并算出来,三条路都要用(都按多项式乘开,e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 \vec e_1\cdot\vec e_2 e 1 ⋅ e 2 当成数 t t t 收着):
a ⃗ ⋅ b ⃗ = ( e ⃗ 1 + e ⃗ 2 ) ⋅ ( 3 e ⃗ 1 + e ⃗ 2 ) = 3 + t + 3 t + 1 = 4 + 4 t , \vec a\cdot\vec b=(\vec e_1+\vec e_2)\cdot(3\vec e_1+\vec e_2)=3+t+3t+1=4+4t, a ⋅ b = ( e 1 + e 2 ) ⋅ ( 3 e 1 + e 2 ) = 3 + t + 3 t + 1 = 4 + 4 t ,
∣ a ⃗ ∣ 2 = e ⃗ 1 2 + 2 e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 + e ⃗ 2 2 = 2 + 2 t , ∣ b ⃗ ∣ 2 = 9 e ⃗ 1 2 + 6 e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 + e ⃗ 2 2 = 10 + 6 t . |\vec a|^2=\vec e_1^{\,2}+2\vec e_1\cdot\vec e_2+\vec e_2^{\,2}=2+2t,\qquad
|\vec b|^2=9\vec e_1^{\,2}+6\vec e_1\cdot\vec e_2+\vec e_2^{\,2}=10+6t . ∣ a ∣ 2 = e 1 2 + 2 e 1 ⋅ e 2 + e 2 2 = 2 + 2 t , ∣ b ∣ 2 = 9 e 1 2 + 6 e 1 ⋅ e 2 + e 2 2 = 10 + 6 t .
在 t ∈ [ 3 4 , 1 ] t\in\left[\frac34,1\right] t ∈ [ 4 3 , 1 ] 上这三个数全是正的(∣ a ⃗ ∣ 2 = 2 + 2 t > 0 |\vec a|^2=2+2t>0 ∣ a ∣ 2 = 2 + 2 t > 0 顺便保证了 a ⃗ ≠ 0 ⃗ \vec a\neq\vec 0 a = 0 、
夹角有定义,a ⃗ ⋅ b ⃗ > 0 \vec a\cdot\vec b>0 a ⋅ b > 0 说明 θ \theta θ 是锐角)。
解法一:换元成一个字母,约分后分离常数看单调(官方那条)
怎么想到的。 目标 cos 2 θ = ( a ⃗ ⋅ b ⃗ ) 2 ∣ a ⃗ ∣ 2 ∣ b ⃗ ∣ 2 \cos^2\theta=\dfrac{(\vec a\cdot\vec b)^2}{|\vec a|^2|\vec b|^2} cos 2 θ = ∣ a ∣ 2 ∣ b ∣ 2 ( a ⋅ b ) 2 是「二次比二次」,
看着难。但分子分母都含 ( 1 + t ) (1+t) ( 1 + t ) 这个因子——先约分,再看剩下的。
cos 2 θ = ( 4 + 4 t ) 2 ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) = 16 ( 1 + t ) 2 2 ( 1 + t ) ⋅ 2 ( 5 + 3 t ) = 4 ( 1 + t ) 5 + 3 t = 4 + 4 t 5 + 3 t = : g ( t ) . \cos^2\theta=\frac{(4+4t)^2}{(2+2t)(10+6t)}
=\frac{16(1+t)^2}{2(1+t)\cdot2(5+3t)}
=\frac{4(1+t)}{5+3t}=\frac{4+4t}{5+3t}\;=:\;g(t). cos 2 θ = ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) ( 4 + 4 t ) 2 = 2 ( 1 + t ) ⋅ 2 ( 5 + 3 t ) 16 ( 1 + t ) 2 = 5 + 3 t 4 ( 1 + t ) = 5 + 3 t 4 + 4 t =: g ( t ) .
约分是合法的:t ⩾ 3 4 t\geqslant\frac34 t ⩾ 4 3 时 1 + t > 0 1+t>0 1 + t > 0 ,不是在约一个可能为零的东西。
到这里就成了一次比一次,用分式分离常数判单调 :
g ( t ) = 4 + 4 t 5 + 3 t = 4 3 ( 5 + 3 t ) − 20 3 + 4 5 + 3 t = 4 3 − 8 3 5 + 3 t . g(t)=\frac{4+4t}{5+3t}=\frac{\frac43(5+3t)-\frac{20}3+4}{5+3t}
=\frac43-\frac{\frac83}{5+3t}. g ( t ) = 5 + 3 t 4 + 4 t = 5 + 3 t 3 4 ( 5 + 3 t ) − 3 20 + 4 = 3 4 − 5 + 3 t 3 8 .
t t t 变大 ⇒ 5 + 3 t \Rightarrow5+3t ⇒ 5 + 3 t 变大 ⇒ 8 / 3 5 + 3 t \Rightarrow\dfrac{8/3}{5+3t} ⇒ 5 + 3 t 8/3 变小 ⇒ \Rightarrow ⇒ 减去它之后 g g g 变大 。
即 g g g 在整段上严格递增 (要写成 g ′ ( t ) = 8 ( 5 + 3 t ) 2 > 0 g'(t)=\dfrac{8}{(5+3t)^2}>0 g ′ ( t ) = ( 5 + 3 t ) 2 8 > 0 也一样)。
严格递增的函数在一个闭区间上,内部不可能出现最大或最小,最值只在两端:
min g = g ( 3 4 ) = 4 + 3 5 + 9 4 = 7 29 4 = 28 29 , max g = g ( 1 ) = 8 8 = 1. \min g=g\!\left(\frac34\right)=\frac{4+3}{5+\frac94}=\frac{7}{\frac{29}4}=\boxed{\frac{28}{29}},
\qquad \max g=g(1)=\frac{8}{8}=1 . min g = g ( 4 3 ) = 5 + 4 9 4 + 3 = 4 29 7 = 29 28 , max g = g ( 1 ) = 8 8 = 1.
取等要能达到:t = 3 4 t=\frac34 t = 4 3 就是 cos α = 3 4 \cos\alpha=\frac34 cos α = 4 3 ,而 3 4 ∈ [ − 1 , 1 ] \frac34\in[-1,1] 4 3 ∈ [ − 1 , 1 ] ,
取 α = arccos 3 4 \alpha=\arccos\frac34 α = arccos 4 3 即可,此时约束 5 − 4 t ⩽ 2 5-4t\leqslant2 5 − 4 t ⩽ 2 恰好取等 (∣ 2 e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ∣ = 2 |2\vec e_1-\vec e_2|=\sqrt2 ∣2 e 1 − e 2 ∣ = 2 )。
所以 cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 的最小值就是 28 29 \dfrac{28}{29} 29 28 。
解法二:沿角平分线建系,正切一步到手
怎么想到的。 a ⃗ = e ⃗ 1 + e ⃗ 2 \vec a=\vec e_1+\vec e_2 a = e 1 + e 2 里两个基地位对称,说明 a ⃗ \vec a a 落在
e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 的角平分线 上。既然有一条对称轴,就沿对称轴建系 ——把平分线取作 x x x 轴,
两个基的坐标只差一个符号。这是向量坐标化 的一种取法,也是本题最省字的一种。
记 β = α 2 \beta=\dfrac\alpha2 β = 2 α (于是 0 ⩽ β < π 2 0\leqslant\beta<\dfrac\pi2 0 ⩽ β < 2 π 、cos β > 0 \cos\beta>0 cos β > 0 ),取
e ⃗ 1 = ( cos β , sin β ) , e ⃗ 2 = ( cos β , − sin β ) . \vec e_1=(\cos\beta,\ \sin\beta),\qquad \vec e_2=(\cos\beta,\ -\sin\beta). e 1 = ( cos β , sin β ) , e 2 = ( cos β , − sin β ) .
三个向量当场读出来(对称的好处:和落在轴上、差垂直于轴):
a ⃗ = e ⃗ 1 + e ⃗ 2 = ( 2 cos β , 0 ) , b ⃗ = 3 e ⃗ 1 + e ⃗ 2 = ( 4 cos β , 2 sin β ) , 2 e ⃗ 1 − e ⃗ 2 = ( cos β , 3 sin β ) . \vec a=\vec e_1+\vec e_2=(2\cos\beta,\ 0),\qquad
\vec b=3\vec e_1+\vec e_2=(4\cos\beta,\ 2\sin\beta),\qquad
2\vec e_1-\vec e_2=(\cos\beta,\ 3\sin\beta). a = e 1 + e 2 = ( 2 cos β , 0 ) , b = 3 e 1 + e 2 = ( 4 cos β , 2 sin β ) , 2 e 1 − e 2 = ( cos β , 3 sin β ) .
约束变成了 β \beta β 的不等式 (cos 2 β + 9 sin 2 β = 1 + 8 sin 2 β \cos^2\beta+9\sin^2\beta=1+8\sin^2\beta cos 2 β + 9 sin 2 β = 1 + 8 sin 2 β ):
1 + 8 sin 2 β ⩽ 2 ⟹ sin 2 β ⩽ 1 8 ⟹ tan 2 β = sin 2 β 1 − sin 2 β ⩽ 1 / 8 7 / 8 = 1 7 . 1+8\sin^2\beta\leqslant2\;\Longrightarrow\;\sin^2\beta\leqslant\frac18
\;\Longrightarrow\;\tan^2\beta=\frac{\sin^2\beta}{1-\sin^2\beta}\leqslant\frac{1/8}{7/8}=\frac17 . 1 + 8 sin 2 β ⩽ 2 ⟹ sin 2 β ⩽ 8 1 ⟹ tan 2 β = 1 − sin 2 β sin 2 β ⩽ 7/8 1/8 = 7 1 .
(与解法一的 t ⩾ 3 4 t\geqslant\frac34 t ⩾ 4 3 是同一句话:二倍角公式 cos α = 1 − 2 sin 2 β ⩾ 1 − 1 4 = 3 4 \cos\alpha=1-2\sin^2\beta\geqslant1-\frac14=\frac34 cos α = 1 − 2 sin 2 β ⩾ 1 − 4 1 = 4 3 。)
目标也变成了 β \beta β 的式子。 a ⃗ \vec a a 在 x x x 轴正方向上,而 b ⃗ \vec b b 的纵坐标非负,
所以 θ \theta θ 就是 b ⃗ \vec b b 的倾角:
tan θ = 2 sin β 4 cos β = 1 2 tan β . \tan\theta=\frac{2\sin\beta}{4\cos\beta}=\frac12\tan\beta . tan θ = 4 cos β 2 sin β = 2 1 tan β .
这一行是本解法的全部收获:θ \theta θ 随 β \beta β 单调递增 ,所以 β \beta β 顶到最大(约束取等)时 θ \theta θ 最大、
cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 最小。再用同角三角函数的基本关系把正切换回余弦:
cos 2 θ = 1 1 + tan 2 θ = 1 1 + 1 4 tan 2 β = 4 4 + tan 2 β ⩾ 4 4 + 1 7 = 28 29 , \cos^2\theta=\frac{1}{1+\tan^2\theta}=\frac{1}{1+\frac14\tan^2\beta}=\frac{4}{4+\tan^2\beta}
\;\geqslant\;\frac{4}{4+\frac17}=\frac{28}{29}, cos 2 θ = 1 + tan 2 θ 1 = 1 + 4 1 tan 2 β 1 = 4 + tan 2 β 4 ⩾ 4 + 7 1 4 = 29 28 ,
等号在 tan 2 β = 1 7 \tan^2\beta=\frac17 tan 2 β = 7 1 (即 sin 2 β = 1 8 \sin^2\beta=\frac18 sin 2 β = 8 1 、cos α = 3 4 \cos\alpha=\frac34 cos α = 4 3 )时取到。tan 2 β = 0 \tan^2\beta=0 tan 2 β = 0
那一端给出 cos 2 θ = 1 \cos^2\theta=1 cos 2 θ = 1 ,正是 e ⃗ 1 = e ⃗ 2 \vec e_1=\vec e_2 e 1 = e 2 、a ⃗ ∥ b ⃗ \vec a\parallel\vec b a ∥ b 的退化情形。
为什么这道题什么都能约掉 :把 b ⃗ \vec b b 沿 a ⃗ \vec a a 拆开就看见了——
b ⃗ = 3 e ⃗ 1 + e ⃗ 2 = 2 ( e ⃗ 1 + e ⃗ 2 ) + ( e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ) = 2 a ⃗ + d ⃗ , d ⃗ = e ⃗ 1 − e ⃗ 2 , \vec b=3\vec e_1+\vec e_2=2(\vec e_1+\vec e_2)+(\vec e_1-\vec e_2)=2\vec a+\vec d,\qquad
\vec d=\vec e_1-\vec e_2 , b = 3 e 1 + e 2 = 2 ( e 1 + e 2 ) + ( e 1 − e 2 ) = 2 a + d , d = e 1 − e 2 ,
而 d ⃗ ⋅ a ⃗ = ( e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ) ⋅ ( e ⃗ 1 + e ⃗ 2 ) = 1 − 1 = 0 \vec d\cdot\vec a=(\vec e_1-\vec e_2)\cdot(\vec e_1+\vec e_2)=1-1=0 d ⋅ a = ( e 1 − e 2 ) ⋅ ( e 1 + e 2 ) = 1 − 1 = 0 ,d ⃗ ⊥ a ⃗ \vec d\perp\vec a d ⊥ a 。
于是 b ⃗ \vec b b 的「沿 a ⃗ \vec a a 的分量」正好是 2 a ⃗ 2\vec a 2 a 、垂直分量是 d ⃗ \vec d d ,正切就是两个分量之比:
tan θ = ∣ d ⃗ ∣ 2 ∣ a ⃗ ∣ , cos 2 θ = 4 ∣ a ⃗ ∣ 2 4 ∣ a ⃗ ∣ 2 + ∣ d ⃗ ∣ 2 = 4 ( 2 + 2 t ) 4 ( 2 + 2 t ) + ( 2 − 2 t ) = 4 + 4 t 5 + 3 t . \tan\theta=\frac{|\vec d|}{2|\vec a|},\qquad
\cos^2\theta=\frac{4|\vec a|^2}{4|\vec a|^2+|\vec d|^2}=\frac{4(2+2t)}{4(2+2t)+(2-2t)}=\frac{4+4t}{5+3t}. tan θ = 2∣ a ∣ ∣ d ∣ , cos 2 θ = 4∣ a ∣ 2 + ∣ d ∣ 2 4∣ a ∣ 2 = 4 ( 2 + 2 t ) + ( 2 − 2 t ) 4 ( 2 + 2 t ) = 5 + 3 t 4 + 4 t .
这就是解法一那次约分的几何原因,也是上面建系为什么一坐下就把坐标凑成整齐形状的原因:
x x x 轴取的正是 a ⃗ \vec a a 的方向,y y y 轴取的正是 d ⃗ \vec d d 的方向。
解法三:改算正弦的平方,多余的因子自己约掉
怎么想到的。 cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 与 sin 2 θ \sin^2\theta sin 2 θ 加起来是 1 1 1 ,求前者的最小值等于求后者的最大值;
而 sin 2 θ \sin^2\theta sin 2 θ 的分子 ∣ a ⃗ ∣ 2 ∣ b ⃗ ∣ 2 − ( a ⃗ ⋅ b ⃗ ) 2 |\vec a|^2|\vec b|^2-(\vec a\cdot\vec b)^2 ∣ a ∣ 2 ∣ b ∣ 2 − ( a ⋅ b ) 2 是个平方差 ,
展开之后往往比原式更肯约。这里就是如此:
∣ a ⃗ ∣ 2 ∣ b ⃗ ∣ 2 − ( a ⃗ ⋅ b ⃗ ) 2 = ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) − ( 4 + 4 t ) 2 = ( 12 t 2 + 32 t + 20 ) − ( 16 t 2 + 32 t + 16 ) = 4 − 4 t 2 . |\vec a|^2|\vec b|^2-(\vec a\cdot\vec b)^2=(2+2t)(10+6t)-(4+4t)^2
=(12t^2+32t+20)-(16t^2+32t+16)=4-4t^2 . ∣ a ∣ 2 ∣ b ∣ 2 − ( a ⋅ b ) 2 = ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) − ( 4 + 4 t ) 2 = ( 12 t 2 + 32 t + 20 ) − ( 16 t 2 + 32 t + 16 ) = 4 − 4 t 2 .
(这个 4 − 4 t 2 = 4 sin 2 α 4-4t^2=4\sin^2\alpha 4 − 4 t 2 = 4 sin 2 α 有个说法:a ⃗ , b ⃗ \vec a,\vec b a , b 张成的平行四边形面积恰好是
e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 张成的那个的 2 2 2 倍,4 4 4 就是 2 2 2^2 2 2 。上一节的 b ⃗ = 2 a ⃗ + d ⃗ \vec b=2\vec a+\vec d b = 2 a + d 正是它的来路。)
于是
sin 2 θ = 4 − 4 t 2 ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) = 4 ( 1 − t ) ( 1 + t ) 4 ( 1 + t ) ( 5 + 3 t ) = 1 − t 5 + 3 t . \sin^2\theta=\frac{4-4t^2}{(2+2t)(10+6t)}=\frac{4(1-t)(1+t)}{4(1+t)(5+3t)}=\frac{1-t}{5+3t}. sin 2 θ = ( 2 + 2 t ) ( 10 + 6 t ) 4 − 4 t 2 = 4 ( 1 + t ) ( 5 + 3 t ) 4 ( 1 − t ) ( 1 + t ) = 5 + 3 t 1 − t .
t t t 变大时分子变小、分母变大,sin 2 θ \sin^2\theta sin 2 θ 严格递减 ,故它在左端点最大:
max sin 2 θ = 1 − 3 4 5 + 9 4 = 1 4 29 4 = 1 29 ⟹ min cos 2 θ = 1 − 1 29 = 28 29 . \max\sin^2\theta=\frac{1-\frac34}{5+\frac94}=\frac{\frac14}{\frac{29}4}=\frac1{29}
\;\Longrightarrow\;\min\cos^2\theta=1-\frac1{29}=\frac{28}{29}. max sin 2 θ = 5 + 4 9 1 − 4 3 = 4 29 4 1 = 29 1 ⟹ min cos 2 θ = 1 − 29 1 = 29 28 .
这条路还附赠一次免费自检 :算出来的两个式子必须加成 1 1 1 ——
4 + 4 t 5 + 3 t + 1 − t 5 + 3 t = 5 + 3 t 5 + 3 t = 1 ✓ \frac{4+4t}{5+3t}+\frac{1-t}{5+3t}=\frac{5+3t}{5+3t}=1\quad\checkmark 5 + 3 t 4 + 4 t + 5 + 3 t 1 − t = 5 + 3 t 5 + 3 t = 1 ✓
对不上就说明前面某处展开错了,不必等到代数字才发现。
教学图
上半张要看的是**「取等」这件事在图上长什么样**:约束不是摆设,它恰好在最小值处绷紧
(绿色那支的长度正好 2 \sqrt2 2 )。下半张要看的是最值为什么在端点 :g ′ g' g ′ 在整段上不为零,
去解 g ′ = 0 g'=0 g ′ = 0 的人会一无所获,而灰色那一片正是「约束替你砍掉的那半张图」。
三条路怎么选
解法一(换元约分) 解法二(沿平分线建系) 解法三(改算 sin 2 θ \sin^2\theta sin 2 θ ) 未知数 t = cos α t=\cos\alpha t = cos α β = α 2 \beta=\frac\alpha2 β = 2 α 的正切t = cos α t=\cos\alpha t = cos α 关键一步 约掉 ( 1 + t ) (1+t) ( 1 + t ) 后分离常数 tan θ = 1 2 tan β \tan\theta=\frac12\tan\beta tan θ = 2 1 tan β 平方差 4 − 4 t 2 4-4t^2 4 − 4 t 2 单调性怎么看 分离常数(或求导) θ \theta θ 随 β \beta β 增分子减、分母增 适合什么时候用 一切这类题的默认路,最短 想看清「为什么 θ \theta θ 随 α \alpha α 增大」 分子分母都不肯约时 代价 要敢先约分 要先看出对称性 多算一次平方差
考场上写解法一:从 t t t 的范围到答案不超过六行。解法二值得练,因为
「向量组合里有一对地位对称的基」这件事到处都是(等腰的图形、菱形、两条等长的弦),
一旦看见就能把题目降一维。解法三是通用后备:目标不好算就去算与它配对的那个量 ,
这个念头在立体几何求角、解析几何求斜率里都用得上。
避坑
只解出 t ⩾ 3 4 t\geqslant\frac34 t ⩾ 4 3 就去求最值,忘了 t ⩽ 1 t\leqslant1 t ⩽ 1 。 这是换元后漏掉新变量的取值范围
的标准现场:g g g 递增,右端点给的是最大值 1 1 1 ;没有 t ⩽ 1 t\leqslant1 t ⩽ 1 ,「最大值」会跑到渐近线
4 3 \frac43 3 4 上去,而 4 3 > 1 \frac43>1 3 4 > 1 根本不可能是某个角余弦的平方(cos 2 θ ⩽ 1 \cos^2\theta\leqslant1 cos 2 θ ⩽ 1 ,
这本身就是一道自检)。
不判单调就代端点。 一次比一次的分式确实在端点取最值,但这需要先说清它单调 ;
写成 4 3 − 8 / 3 5 + 3 t \frac43-\frac{8/3}{5+3t} 3 4 − 5 + 3 t 8/3 只多一行,却把「为什么是左端点」交代清楚了。
别去求导找内部的极值。 g ′ ( t ) = 8 ( 5 + 3 t ) 2 g'(t)=\frac{8}{(5+3t)^2} g ′ ( t ) = ( 5 + 3 t ) 2 8 永远不为零,解 g ′ = 0 g'=0 g ′ = 0 是白费;
这类题的最值永远由区间端点 给出。
等号要验。 最小值取在 t = 3 4 t=\frac34 t = 4 3 ,必须确认 cos α = 3 4 \cos\alpha=\frac34 cos α = 4 3 真有角对应
(3 4 ∈ [ − 1 , 1 ] \frac34\in[-1,1] 4 3 ∈ [ − 1 , 1 ] ,成立),这一步就是不等式求最值漏验等号 所提醒的那句话。
「cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 最小」不等于「θ \theta θ 最小」。 θ ∈ [ 0 , π ] \theta\in[0,\pi] θ ∈ [ 0 , π ] 上 cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 最小
意味着 θ \theta θ 最靠近 π 2 \frac\pi2 2 π ;本题 θ \theta θ 只在 [ 0 ∘ , 10.7 ∘ ] [0^\circ,10.7^\circ] [ 0 ∘ , 10. 7 ∘ ] 里动,
所以此处它等价于「θ \theta θ 最大」——但那是算出范围之后才知道的事,不能反过来当理由。
约分之前先确认因子不为零。 约掉 ( 1 + t ) (1+t) ( 1 + t ) 用到 t > − 1 t>-1 t > − 1 (本题 t ⩾ 3 4 t\geqslant\frac34 t ⩾ 4 3 远远够);
若换一道题的约束允许 t = − 1 t=-1 t = − 1 ,那时 a ⃗ = 0 ⃗ \vec a=\vec 0 a = 0 ,夹角根本没有定义,
得先把 t = − 1 t=-1 t = − 1 单独摘出去。
系数抄错就全盘皆错,而答案会告诉你。 若把约束读成 ∣ e ⃗ 1 − e ⃗ 2 ∣ ⩽ 2 |\vec e_1-\vec e_2|\leqslant\sqrt2 ∣ e 1 − e 2 ∣ ⩽ 2
(少了那个 2 2 2 ),则 2 − 2 t ⩽ 2 2-2t\leqslant2 2 − 2 t ⩽ 2 给出 t ⩾ 0 t\geqslant0 t ⩾ 0 ,最小值变成 g ( 0 ) = 4 5 g(0)=\frac45 g ( 0 ) = 5 4 ——
一个漂亮的数,但不是本题的答案。答案是 28 29 \frac{28}{29} 29 28 这种带 29 29 29 的数,
反过来正好锁定 t t t 的下界是 3 4 \frac34 4 3 (解 4 + 4 t 5 + 3 t = 28 29 \frac{4+4t}{5+3t}=\frac{28}{29} 5 + 3 t 4 + 4 t = 29 28 即得),
这是检查自己有没有抄错条件的最快办法。
别把 a ⃗ 2 \vec a^{\,2} a 2 写成 ∣ a ⃗ ∣ |\vec a| ∣ a ∣ 。 a ⃗ ⋅ a ⃗ = ∣ a ⃗ ∣ 2 \vec a\cdot\vec a=|\vec a|^2 a ⋅ a = ∣ a ∣ 2 是平方,
本题所有量都以平方形式出现,正是为了一次开方都不做——最后要的也是 cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 而非 cos θ \cos\theta cos θ
(cos θ = 2 203 29 \cos\theta=\frac{2\sqrt{203}}{29} cos θ = 29 2 203 难看得多,命题人问平方是有道理的)。
收口:这类题的通用做法
把本题抽掉具体数字,剩下的骨架是:
e ⃗ 1 , e ⃗ 2 \vec e_1,\vec e_2 e 1 , e 2 为单位向量,t = e ⃗ 1 ⋅ e ⃗ 2 ∈ [ − 1 , 1 ] t=\vec e_1\cdot\vec e_2\in[-1,1] t = e 1 ⋅ e 2 ∈ [ − 1 , 1 ] ;
a ⃗ = p e ⃗ 1 + q e ⃗ 2 \vec a=p\vec e_1+q\vec e_2 a = p e 1 + q e 2 、b ⃗ = r e ⃗ 1 + s e ⃗ 2 \vec b=r\vec e_1+s\vec e_2 b = r e 1 + s e 2 。则
a ⃗ ⋅ b ⃗ = ( p r + q s ) + ( p s + q r ) t , ∣ a ⃗ ∣ 2 = ( p 2 + q 2 ) + 2 p q t , ∣ b ⃗ ∣ 2 = ( r 2 + s 2 ) + 2 r s t , \vec a\cdot\vec b=(pr+qs)+(ps+qr)t,\quad |\vec a|^2=(p^2+q^2)+2pq\,t,\quad |\vec b|^2=(r^2+s^2)+2rs\,t, a ⋅ b = ( p r + q s ) + ( p s + q r ) t , ∣ a ∣ 2 = ( p 2 + q 2 ) + 2 pq t , ∣ b ∣ 2 = ( r 2 + s 2 ) + 2 r s t ,
三个量全是 t t t 的一次式;任何一个关于模与夹角的约束,平方之后也是 t t t 的一次不等式。
于是这类题一律化归为「一个一次式的分式在一个闭区间上求最值」。
两条经验:
a ⃗ ⋅ b ⃗ \vec a\cdot\vec b a ⋅ b 与 ∣ a ⃗ ∣ 2 |\vec a|^2 ∣ a ∣ 2 成常数比时(本题是 2 2 2 ),cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 必约成一次比一次。
它等价于 b ⃗ − λ a ⃗ ⊥ a ⃗ \vec b-\lambda\vec a\perp\vec a b − λ a ⊥ a ,也就是上面那个 b ⃗ = 2 a ⃗ + d ⃗ \vec b=2\vec a+\vec d b = 2 a + d 的分解;
这种时候二次比二次只是伪装。
约束的作用永远是「把 t t t 的区间截短」 ,目标的作用是「给出 t t t 上的一个单调函数」。
两件事分开做,最后一步只剩代端点。本题的答案 28 29 \dfrac{28}{29} 29 28 与最大值 1 1 1 之间只差 1 29 \dfrac1{29} 29 1 ,
正说明约束把区间截得多么短——a ⃗ \vec a a 与 b ⃗ \vec b b 想张开一点都难。