同一骨架 2023 年上海高中数学竞赛(高三卷) · P006758
两题都把内接三角形的固定形状保留下来,只让尺度和位置变化。顶点落在外三角形各边上的条件是线性的;消去位置后,面积最值可归结为尺度受一个方向或线性约束的限制。
外、内三角形的形状互换了,边界条件控制尺度的结构仍然相同。
直角三角形 的三个顶点分别在等边三角形 的边 上,且
求 的最小值。
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。
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先回想这道题的想法,再试试当前题。
固定角的直角三角形两直角边比为1比√3;三角线性式A sinθ+B cosθ的绝对值不超过√(A²+B²),来自柯西。
想法从哪来:内三角形形状固定,面积只随一个长度尺度的平方变化,因此先把外三角形边长归一化,选一条短直角边长和方向角作为未知量。直角与三十度条件立刻确定另一条边的长度及其垂直方向,三个顶点落在三条边的直线条件便能消去位置坐标,只留下尺度乘一个正弦余弦线性式等于常数。线性式的振幅上界给尺度下界,进而给面积下界。这里有两种转向,须利用外三角形镜像或分别核算覆盖;最后还要把等号方向对应的三个点写出,确认它们确在线段上,而不是只在支撑直线上。
面积比与外三角形边长无关,归一化外三角形后,用内三角形一条直角边的长度和方向参数化;三条边界条件给出该长度的显式式子。
不妨设
令 ,其单位方向向量为 。选择与图形朝向一致的垂直方向后
由 、、 的直线方程消去 的坐标,可得
另一朝向经镜像得到同样的估计。由柯西不等式
故 。内外面积分别为 与 ,所以
取
可直接核对三点分别在三边上,且 ,并取到上述等号。因此最小值为
等号构造中的 ,故面积比为 ;三点的边参数均在 内,没有落在延长线上。
固定形状的内接三角形最值,可用“尺度加旋转角”参数化;外边界的线性条件通常把尺度写成一个三角线性式的倒数。
须把固定内接形状与三个边上条件联立为短边的方向约束,再求界并验证极值构型三个点均在边段内。
同一骨架 2023 年上海高中数学竞赛(高三卷) · P006758
两题都把内接三角形的固定形状保留下来,只让尺度和位置变化。顶点落在外三角形各边上的条件是线性的;消去位置后,面积最值可归结为尺度受一个方向或线性约束的限制。
外、内三角形的形状互换了,边界条件控制尺度的结构仍然相同。
同一骨架 2025 年福建预赛 · P006320
先把构型的大小与方向分开,约束会变成正弦、余弦的线性组合。两题都用这个组合的振幅控制最值,并且必须核对取等方向是否给出题设允许的正长度和边上点。
一个把目标长度平方化为三角表达式,另一个把内接三角形的尺度写成三角表达式的倒数。
已记下,谢谢!