抛物线与椭圆动点所成三角形最小面积
设 为原点, 为抛物线
上的动点, 为椭圆
上的动点,则 的面积的最小值为。
分数写 a/b,根号写 √ 或 sqrt,π 写 pi 也可以。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
固定系数时 的最小值为 ,可由辅助角公式取得。对绝对值表达式求极值前,需先确定内部符号或分开讨论。
想法从哪来:两动点来自不同曲线,先别同时求四个坐标。用行列式写面积,固定抛物线上的点后,椭圆点只出现在线性表达式里,参数化成正弦余弦就能先精确优化掉一个自由度。取绝对值前必须先判断行列式是否可能变号,否则逐次最小化会把有向面积误当面积。 椭圆完全位于纵轴一侧,结合抛物线纵坐标平方加一,可以证明行列式始终同号。于是对椭圆参数使用辅助角公式,剩下的式子只依赖抛物线横坐标的平方。将其作为非负变量求导,检查导数变号与端点,再选实际角参数达到线性式的最小值,才能保证下界可取到。
用行列式表示三角形面积。固定抛物线参数后,关于椭圆点的表达式是正弦、余弦的一次式, 可先精确取最小值;随后只剩 的单变量问题。
设
记
由于椭圆上 且 ,
等号若成立还需同时有 与 ,这不可能,故 。因此
固定 ,利用正弦、余弦一次式的最值,
令 ,则所求面积的最小值等于
设括号内的函数为 ,则
在 上, 的符号与
的符号相同。后者在 上严格递增,唯一零点为
故 先减后增,在 处取得最小值。由零点等式,
代入 (1),得到最小面积
,可取 ;正弦、余弦一次式的最小值在椭圆参数的某个实际角度 处取得,因此下界可达。数值上 ,与三点始终不共线相符。
两个独立动点形成的面积极值,常可“先固定一个点,再优化另一个点”。椭圆参数化后, 线性函数的极值就是系数向量的模;最后再处理剩余的非负平方参数。
需先证明面积行列式符号恒定,固定抛物线点后在椭圆上求线性式最小,再对非平凡根式参数函数求全局最小。
已记下,谢谢!