浙江 2023 · 数学 q22

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2023 · 数学 q22 原卷截图(含答案)

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题面

22.(12分)(2023•新高考Ⅰ)在直角坐标系xOyxOy中,点PP到xx轴的距离等于点PP到点(0,12)\left(0,\dfrac{1}{2}\right)的距离,记动点PP的轨迹为WW.

(1)求WW的方程;

(2)已知矩形ABCDABCD有三个顶点在WW上,证明:矩形ABCDABCD的周长大于333\sqrt{3}.

答案

(1)y=x2+14y=x^2+\dfrac{1}{4};(2)证明见解析

本题的知识树

6 概念 · 2 公式 · 2 定理 · 1 题型 · 1 套路 · 1 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)

轨迹 W:y=x²+1/4 · 矩形三顶点在 W 上证周长>3√3(导数取最值 / 极坐标加均值) · 最终答案:(1)y=x2+14y=x^2+\dfrac{1}{4};(2)证明见解析

冷启动:W 是焦点 (0,1/2)、准线 y=0 的抛物线

PP 到 xx 轴(直线 y=0y=0)的距离 == PP 到定点 (0,12)\left(0,\tfrac12\right) 的距离——这正是抛物线的定义:到焦点与到准线等距。焦点 (0,12)\left(0,\tfrac12\right)、准线 y=0y=0,故 WW 是开口向上的抛物线。第 (2) 问的矩形有三个顶点落在 WW 上,要证周长 >33>3\sqrt3——这是圆锥曲线中的最值型证明,两条路:一条把两邻边之和凑成一个一元函数构造函数证不等式、用导数求最小;一条平移后用极坐标表示两邻边、消参后用均值不等式。

解法一:邻边和化 f(x) 求导取最小

(1)求 W 的方程

设 P(x,y)P(x,y)。到 xx 轴距离 ∣y∣|y|,到 (0,12)\left(0,\tfrac12\right) 距离 x2+(y−12)2\sqrt{x^2+\left(y-\tfrac12\right)^2},相等:

∣y∣=x2+(y−12)2 ⇒ y2=x2+y2−y+14 ⇒ y=x2+14|y|=\sqrt{x^2+\left(y-\tfrac12\right)^2}\ \Rightarrow\ y^2=x^2+y^2-y+\frac14\ \Rightarrow\ y=x^2+\frac14

故 W: y=x2+14W:\ y=x^2+\dfrac14。

(2)邻边和凑成 f(x),求导得最小值

设相邻三顶点 A,B,C∈WA,B,C\in W,直角在 BB(AB⊥BCAB\perp BC)。记 A(a,a2+14)A(a,a^2+\tfrac14) 等(纵坐标的 +14+\tfrac14 在差里消去):

AB⃗=(b−a)(1, a+b),BC⃗=(c−b)(1, b+c)\vec{AB}=(b-a)(1,\,a+b),\qquad \vec{BC}=(c-b)(1,\,b+c)

由 AB⃗⋅BC⃗=0\vec{AB}\cdot\vec{BC}=0 且 b≠a, c≠bb\ne a,\ c\ne b,约去 (b−a)(c−b)(b-a)(c-b):

1+(a+b)(b+c)=0 ⇒ ∣a+b∣ ∣b+c∣=11+(a+b)(b+c)=0\ \Rightarrow\ |a+b|\,|b+c|=1

故 min⁡(∣a+b∣,∣b+c∣)≤1\min(|a+b|,|b+c|)\le1,不妨设 ∣b+c∣≤1|b+c|\le1,则 a+b=−1b+ca+b=-\dfrac1{b+c}。两邻边长:

∣AB∣=∣b−a∣1+1(b+c)2,∣BC∣=∣c−b∣1+(b+c)2|AB|=|b-a|\sqrt{1+\tfrac1{(b+c)^2}},\qquad |BC|=|c-b|\sqrt{1+(b+c)^2}

由 ∣b+c∣≤1|b+c|\le1 得 1(b+c)2≥(b+c)2\dfrac1{(b+c)^2}\ge(b+c)^2,把第一个根号放小、再用 ∣b−a∣+∣c−b∣≥∣c−a∣|b-a|+|c-b|\ge|c-a|:

∣AB∣+∣BC∣≥(∣b−a∣+∣c−b∣)1+(b+c)2≥∣c−a∣1+(b+c)2|AB|+|BC|\ge(|b-a|+|c-b|)\sqrt{1+(b+c)^2}\ge|c-a|\sqrt{1+(b+c)^2}

而 c−a=(c+b)−(a+b)=(b+c)+1b+cc-a=(c+b)-(a+b)=(b+c)+\dfrac1{b+c}。令 x=∣b+c∣∈(0,1]x=|b+c|\in(0,1],构造函数

f(x)=(x+1x)1+x2=(1+x2)3/2xf(x)=\left(x+\frac1x\right)\sqrt{1+x^2}=\frac{(1+x^2)^{3/2}}{x}

用常见函数的导数求导:f′(x)=1+x2 (2x2−1)x2f'(x)=\dfrac{\sqrt{1+x^2}\,(2x^2-1)}{x^2},在 x=22x=\dfrac{\sqrt2}{2} 处取最小:

f ⁣(22)=(3/2)3/22/2=332f\!\left(\frac{\sqrt2}{2}\right)=\frac{(3/2)^{3/2}}{\sqrt2/2}=\frac{3\sqrt3}{2}

故 ∣AB∣+∣BC∣≥f(x)≥332|AB|+|BC|\ge f(x)\ge\dfrac{3\sqrt3}{2},周长 =2(∣AB∣+∣BC∣)≥33=2(|AB|+|BC|)\ge3\sqrt3。

为何是严格 >>:第一个 ≥\ge 取等要 ∣b+c∣=1|b+c|=1,ff 取最小要 ∣b+c∣=22|b+c|=\dfrac{\sqrt2}{2},两者不能同时成立(见证严格不等式漏判等号可行性),故等号取不到,周长 >33>3\sqrt3。■\blacksquare

解法二:平移加极坐标,消 a 后均值不等式

(1)求 W 的方程

同解法一:∣y∣=x2+(y−12)2⇒y=x2+14|y|=\sqrt{x^2+(y-\tfrac12)^2}\Rightarrow y=x^2+\tfrac14。

(2)平移到 y=x²,极坐标表示两邻边

把整个图形竖直平移 −14-\tfrac14(不改变任何距离),WW 变成 y=x2y=x^2。设 A(a,a2)A(a,a^2)(不妨 a≥0a\ge0),平移原点至 AA,新抛物线 y′=x′2+2ax′y'=x'^2+2ax'。化极坐标 (ρ,θ)(\rho,\theta):ρsin⁡θ=ρ2cos⁡2θ+2aρcos⁡θ\rho\sin\theta=\rho^2\cos^2\theta+2a\rho\cos\theta,

ρ=sin⁡θ−2acos⁡θcos⁡2θ\rho=\frac{\sin\theta-2a\cos\theta}{\cos^2\theta}

两邻边沿互相垂直的方向 θ\theta 与 θ+π2\theta+\tfrac{\pi}{2},长度即 ∣ρ(θ)∣,∣ρ(θ+π2)∣|\rho(\theta)|,|\rho(\theta+\tfrac{\pi}{2})|。代入 sin⁡(θ+π2)=cos⁡θ, cos⁡(θ+π2)=−sin⁡θ\sin(\theta+\tfrac\pi2)=\cos\theta,\ \cos(\theta+\tfrac\pi2)=-\sin\theta:

∣AB∣+∣AD∣=∣2acos⁡θ−sin⁡θcos⁡2θ∣+∣2asin⁡θ+cos⁡θsin⁡2θ∣|AB|+|AD|=\left|\frac{2a}{\cos\theta}-\frac{\sin\theta}{\cos^2\theta}\right|+\left|\frac{2a}{\sin\theta}+\frac{\cos\theta}{\sin^2\theta}\right|

把右式看成 aa 的函数。不妨 ∣2cos⁡θ∣≥∣2sin⁡θ∣\left|\tfrac{2}{\cos\theta}\right|\ge\left|\tfrac{2}{\sin\theta}\right|,则第一项是「更陡」的 V,其折点 a=sin⁡θ2cos⁡θa=\dfrac{\sin\theta}{2\cos\theta} 处整式取最小(更陡项归零),故对任意 aa:

∣AB∣+∣AD∣≥0+∣1cos⁡θ+cos⁡θsin⁡2θ∣=∣sin⁡2θ+cos⁡2θcos⁡θsin⁡2θ∣=1∣cos⁡θsin⁡2θ∣|AB|+|AD|\ge 0+\left|\frac{1}{\cos\theta}+\frac{\cos\theta}{\sin^2\theta}\right|=\left|\frac{\sin^2\theta+\cos^2\theta}{\cos\theta\sin^2\theta}\right|=\frac{1}{|\cos\theta\sin^2\theta|}

对分母用三元均值不等式(2cos⁡2θ+sin⁡2θ+sin⁡2θ=22\cos^2\theta+\sin^2\theta+\sin^2\theta=2):

∣cos⁡θsin⁡2θ∣=122cos⁡2θ⋅sin⁡2θ⋅sin⁡2θ≤12(23)3=233|\cos\theta\sin^2\theta|=\frac1{\sqrt2}\sqrt{2\cos^2\theta\cdot\sin^2\theta\cdot\sin^2\theta}\le\frac1{\sqrt2}\sqrt{\left(\frac23\right)^3}=\frac{2}{3\sqrt3}

于是 ∣AB∣+∣AD∣≥332|AB|+|AD|\ge\dfrac{3\sqrt3}{2},周长 ≥33\ge3\sqrt3。

为何是严格 >>:均值不等式取等要 cos⁡2θ=13\cos^2\theta=\tfrac13,而「消 aa」那步取等要 a=sin⁡θ2cos⁡θa=\dfrac{\sin\theta}{2\cos\theta}——此时第一项归零即 ∣AB∣=0|AB|=0,矩形退化,不可能(见证严格不等式漏判等号可行性)。故等号取不到,周长 >33>3\sqrt3。■\blacksquare

教学图:上为抛物线 W: y=x²+1/4 与一个三顶点在 W 上的示例矩形(直角在 B,第四顶点 D 在 W 外),D 上方标注「示例周长 = 4√2 ≈ 5.66 > 3√3 ≈ 5.20」;下为 f(x)=(1+x²)^{3/2}/x 在 x=√2/2 取最小 3√3/2≈2.60,即半周长下界,最小点旁注两行「min f = 3√3/2 ≈ 2.60(在 x = √2/2)」「⇒ 周长 ≥ 2·min f = 3√3 ≈ 5.20」

这两条路差在哪。 两条路都把「周长 =2(∣AB∣+∣BC∣)=2(|AB|+|BC|)」压成一个一元量的最小值,但选的一元量不同。解法一在直角坐标里把 ∣AB∣+∣BC∣|AB|+|BC| 一路放缩成 f(∣b+c∣)=(1+x2)3/2xf(|b+c|)=\dfrac{(1+x^2)^{3/2}}{x},靠导数找最小 332\tfrac{3\sqrt3}{2}——计算直白,代价是那串放缩(1+1/(b+c)2≥1+(b+c)2\sqrt{1+1/(b+c)^2}\ge\sqrt{1+(b+c)^2} 与三角不等式)要盯紧方向。解法二先把 WW 平移成 y=x2y=x^2、以 AA 为原点转极坐标,两邻边变成 ρ(θ),ρ(θ+π2)\rho(\theta),\rho(\theta+\tfrac\pi2),再把含 aa 的部分用「更陡 V 的折点」消掉,剩 1∣cos⁡θsin⁡2θ∣\dfrac1{|\cos\theta\sin^2\theta|},用均值不等式封顶——技巧性强但绕开了导数。两者都卡在「等号取不到」上收尾:解法一是 ∣b+c∣|b+c| 既要 11 又要 22\tfrac{\sqrt2}{2},解法二是取等让一边退化成 00。

🕳️ 避坑

  • (1) 别漏 ∣y∣|y| 的平方:到 xx 轴距离是 ∣y∣|y|,平方后 y2y^2,与右边展开的 y2y^2 抵消才得到 y=x2+14y=x^2+\tfrac14;写成 y=⋯y=\sqrt{\cdots} 不平方会卡住。
  • AB⃗⋅BC⃗=0\vec{AB}\cdot\vec{BC}=0 约分的前提:(b−a)(c−b)≠0(b-a)(c-b)\ne0(顶点互异),约去后才得 (a+b)(b+c)=−1(a+b)(b+c)=-1;忘了这个前提,约分就不严谨。
  • 解法一的两次放缩方向:1(b+c)2≥(b+c)2\dfrac1{(b+c)^2}\ge(b+c)^2 靠的是 ∣b+c∣≤1|b+c|\le1(这是「不妨设」选出来的,别和另一种选法混);∣b−a∣+∣c−b∣≥∣c−a∣|b-a|+|c-b|\ge|c-a| 是数轴上的三角不等式。
  • 证 >> 必查等号:两条路最后都是先证 ≥33\ge3\sqrt3,再说明取等条件冲突(解法一两个 ∣b+c∣|b+c| 值打架、解法二取等使边退化为 00),才能下严格 >>(见证严格不等式漏判等号可行性)。

故(1)W: y=x2+14W:\ \boxed{y=x^2+\dfrac14};(2)矩形 ABCDABCD 的周长 >33>3\sqrt3,证毕 ■\blacksquare。

本题涉及的教材页

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