同一骨架 2023 年上海高中数学竞赛(高三卷) · P006756
定线段两端与动点构成的两个向量点积为零,可以展开为以该线段为直径的圆或球面。识别轨迹后,再用圆心距离与半径处理最终几何量,比一直展开坐标更清楚。
平面题还要对变化的端点优化最远距离;空间题的端点固定,额外平面把球面截成圆,最后所求量也随之改变。
在平面直角坐标系 中,已知椭圆
是椭圆的左、右顶点,点 是椭圆 内(包括边界)的一个动点。若动点 使得 ,求 的最大值。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
先回想这道题的想法,再试试当前题。
直径圆条件也包含P=B或P=C的退化直角端点;模长和是凸函数,由三角不等式可证弦内函数值不超过端点较大值。
想法从哪来:点积为零先画直径圆:固定C时,P的可行集已经完全确定,最远距离就是圆心到原点的距离加半径。这样先消掉一个动点,把双动点优化降成C的单点优化。新的目标是C到两个定点距离之和;沿任何穿过内部点的弦,这个和都是凸函数,所以最大值可推到椭圆边界,而不是随意假定动点一定在边上。边界用椭圆参数表示后,两段距离平方中只有一次项符号相反,应先平方和、保留乘积再估计,才能利用对称抵消。最后从达到边界等号的C出发,取直径圆的最远点,验证两层极值可以同时达到。
固定 时,点 在以 为直径的圆上;先求该圆上到原点的最远距离,再对椭圆内的 优化。
取 。固定 后,条件等价于 ,故
右端关于 为凸函数,因此在凸椭圆区域上的最大值可取在边界。令 ,记 。则
又
故 。代入(1)得 。当 时两段长度均为 ,并可在直径圆上取最远点达到等号。因此
凸函数在紧凸集上的最大值可沿射线推至边界;等号构造中的 确在椭圆上,所取 也满足直角条件。
点积为零常转化为直径圆;圆上距原点的极值等于“圆心距加半径”,再把它写成两个向量模长之和。
须先消去P化为两段长度和,再把C推到边界并建立参数上界,最后验证直径圆等号位置。
同一骨架 2023 年上海高中数学竞赛(高三卷) · P006756
定线段两端与动点构成的两个向量点积为零,可以展开为以该线段为直径的圆或球面。识别轨迹后,再用圆心距离与半径处理最终几何量,比一直展开坐标更清楚。
平面题还要对变化的端点优化最远距离;空间题的端点固定,额外平面把球面截成圆,最后所求量也随之改变。
已记下,谢谢!