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第206章 转化思维:把几何问题转化为代数问题(1 / 2)

(这部作品的受众读者应该很少,因为我把它写成了一部学习的工具书,简单的说就是一本很另类的小说,希望它能放在每一位老师和学生的课桌上。正文里面会出现大量的解题过程、解题思路,需要大量的数字符号、英语单词,纯是剧情需要!)

“拆解术”的成功实践,让凌凡在面对综合性难题时,拥有了将其“分而治之”的底气。然而,在数学的深水区,尤其是解析几何的战场上,他很快遇到了另一种类型的挑战——那些依赖于精妙几何直观、辅助线,或者对图形性质有极高洞察力的题目。这类题目,往往“拆解”容易,但“转化”困难,找不到那把将几何语言翻译成代数语言的钥匙。

数学课上,老师正在讲解一道经典的解析几何大题,源自去年的模拟考试:

“题目”已知椭圆 C: x2/4 + y2/3 = 1。过点 P(1, 0) 作直线 l 交椭圆于 A, B 两点。求 △PAB 面积的最大值,及此时直线 l 的方程。

题目描述简洁,图形也清晰:一个椭圆,一个定点,一条动直线穿过定点与椭圆相交,求形成的三角形面积最大值。

凌凡首先尝试“拆解”:

1. 目标:求 △PAB 面积 S 的最大值。

2. 条件:椭圆方程已知,点P坐标已知,直线l过P点,与椭圆交于A、B。

3. 核心工具:弦长公式?点到直线距离?面积公式 (S = 1/2 * |AB| * d,其中d是P到直线AB的距离?不对,P在AB上,距离为0!)

他立刻意识到问题所在。△PAB 的顶点是 P, A, B,其中 P 在边 AB 上!所以这个三角形是退化的?不,A和B是椭圆上两个不同的点,P在直线AB上,但不在线段AB上(因为P在椭圆内部)。所以△PAB是一个正常的三角形,底边可以是AB,高是点P到直线AB的距离?不对!点P在直线AB上,到AB的距离永远是0!

凌凡卡壳了。他惯用的面积公式(底乘高除以二)在这里似乎失效了。他尝试在脑海中构图,想象着直线l绕点P旋转,与椭圆相交,三角形PAB的形状和面积在不断变化。如何定量地描述这个面积?

他看到周围有同学开始设直线方程。设 l: y = k(x-1) (因为过点P(1,0))。然后与椭圆方程联立,消去y,得到一个关于x的一元二次方程。这个方程的两个根x1, x2对应A、B两点的横坐标。然后呢?用弦长公式求 |AB|。然后……怎么求面积?点P在直线上,无法直接作高。

他感觉自己的思维被束缚在了纯粹的几何直观里,找不到通向代数的桥梁。这种“看得见,摸不着”的感觉,比面对复杂的代数运算更让人烦躁。

就在这时,他听到斜前方的苏雨晴轻声对同桌说了一句:“……用分割法,或者直接用坐标公式。”

声音很轻,但“分割法”和“坐标公式”这两个词,像两道闪电,瞬间劈开了凌凡脑中的迷雾!

转化! 陈老心法中的第二式——转化!

他一直在试图用传统的底乘高公式,但此路不通。为什么不能转换一种计算面积的方式?

思路一:坐标面积公式(鞋带公式)

如果知道三角形三个顶点的坐标 A(x1,y1),B(x2,y2), P(1,0),那么面积 S = 1/2 * | (x1-1)(y2-0) - (x2-1)(y1-0) | = 1/2 * | (x1-1)y2 - (x2-1)y1 |。

这个公式完美地将面积问题转化为了坐标运算问题!而A、B是直线与椭圆的交点,它们的坐标可以通过联立方程,用斜率k表示出来!

思路二:分割法(补形)

以P为顶点,将△PAB看作是由△POA和△POB组合而成(O为原点),但这样更复杂。或者,利用S= 1/2 * | PA | * | PB | * s∠APB?但∠APB难以用k表示。

显然,思路一是更直接的转化路径!

凌凡立刻行动起来,执行“转化”步骤:

1. 设定代数参数:设直线 l 方程为 y = k(x - 1)。

2. 联立方程,转化为代数关系:

将 y = k(x-1) 代入椭圆方程 x2/4 + y2/3 = 1。

得:x2/4 + [k2(x-1)2]/3 = 1。

两边乘以12:3x2 + 4k2 (x2 - 2x + 1) = 12。

整理得:(3+4k2)x2 - 8k2 x + (4k2 - 12) = 0。 (方程★)

这个关于x的方程的两个根x1, x2即为A、B两点的横坐标。

3. 将目标量(面积)用参数表示:

根据坐标面积公式:

S = 1/2 * | (x1 - 1)y2 - (x2 - 1)y1 |

= 1/2 * | (x1 - 1) * k(x2-1) - (x2 - 1) * k(x1-1) | // 代入 y1=k(x1-1), y2=k(x2-1)

= 1/2 * | k [ (x1-1)(x2-1) - (x2-1)(x1-1) ] |

等等!里面是 (x1-1)(x2-1) - (x2-1)(x1-1) = 0?

凌凡心里一咯噔,难道算错了?面积恒为0?这不可能!

他重新检查。S = 1/2 | (x1-1)y2 - (x2-1)y1 |

= 1/2 | (x1-1)k(x2-1) - (x2-1)k(x1-1) |

= 1/2 | k [ (x1-1)(x2-1) - (x2-1)(x1-1) ] |

括号内确实是完全相同的两项相减,结果为0。