浅谈坐标系中三角形面积的存在性问题

背景

之前周练考了,把叉乘乘反了,-9pts。

据说不咋考了,不过还是写一下,期末考 rp++ 触底反弹(

例题

借用周练题。

如图,y=6xy=-\dfrac{6}{x} 上有两点 A(2,3),B(6,1)A(-2,3),B(6,-1),若点 PPy=6xy=-\dfrac{6}{x} 上,且 SAPB=8S_{\triangle APB}=8,求点 PP 坐标。

先设 P(x,6x)P(x,-\dfrac{6}{x}),并易得 yAB=12x+2y_{AB}=-\dfrac{1}{2}x+2

方法一:铅垂法

常规方法。我们先找一个点 PP,过 PP 竖割,如图:

SAPB=SACP+SBCP=12CP×h1+12CP×h2=12CP×xBxAS_{\triangle APB}=S_{\triangle ACP}+S_{\triangle BCP}=\dfrac{1}{2}CP \times h_1+\dfrac{1}{2}CP \times h_2=\dfrac{1}{2} CP \times |x_B-x_A|

这个方法可以简记为:三角形面积是水平宽乘铅垂高的一半。

本题中,C(x,12x+2)C(x,-\dfrac{1}{2}x+2),故 12×12x+2(6x)×[6(2)]=8\dfrac{1}{2} \times |-\dfrac{1}{2}x+2-(-\dfrac{6}{x})| \times [6-(-2)]=8

草稿纸在这里,最后可得答案:

P1(23,3),P2(23,3)P3(4+27,27),P4(427,2+7)P_1(2\sqrt{3},-\sqrt{3}), P_2(-2\sqrt{3},\sqrt{3})\\ P_3(4+2\sqrt{7},2-\sqrt{7}), P_4(4-2\sqrt{7},2+\sqrt{7})

方法二:等积变形

考虑三角形的底是 AB=45AB=4\sqrt{5},则顶点 PP 对应的高 h=455h=\dfrac{4\sqrt{5}}{5}

由平行线间距离处处相等,作 l1,l2//ABl_1,l_2 \mathop{//} AB,使距离为 hh 即可。l1,l2l_1,l_2y=6xy=-\dfrac{6}{x} 交于四点,这四点即为所求。

现在只需要求出 l1,l2l_1,l_2 的方程联立即可。设 y=12x+by=-\dfrac{1}{2}x+b,由平行线距离公式 b1b2k2+1\dfrac{|b_1-b_2|}{\sqrt{k^2+1}} 可得:

b254=455\dfrac{|b-2|}{\sqrt{\dfrac{5}{4}}}=\dfrac{4\sqrt{5}}{5}

这样解得 b1=0,b2=4b_1=0,b_2=4,将 y=12xy=-\dfrac{1}{2}x12x+4-\dfrac{1}{2}x+4 分别与 y=6xy=-\dfrac{6}{x} 联立即可求得:

P1(23,3),P2(23,3)P3(4+27,27),P4(427,2+7)P_1(2\sqrt{3},-\sqrt{3}), P_2(-2\sqrt{3},\sqrt{3})\\ P_3(4+2\sqrt{7},2-\sqrt{7}), P_4(4-2\sqrt{7},2+\sqrt{7})

方法三:作高法

直接过 PP 作高,有 SAPB=12×AB×hS_{\triangle APB}=\dfrac{1}{2} \times AB \times h

应用点到直线距离公式 kx+byk2+1\dfrac{|kx+b-y|}{\sqrt{k^2+1}} 列方程:

12×45×12x+2(6x)54=8\dfrac{1}{2} \times 4\sqrt{5} \times \dfrac{|-\dfrac{1}{2}x+2-(-\dfrac{6}{x})|}{\sqrt{\dfrac{5}{4}}}=8

这个方程整理后与方法一一致,解得:

P1(23,3),P2(23,3)P3(4+27,27),P4(427,2+7)P_1(2\sqrt{3},-\sqrt{3}), P_2(-2\sqrt{3},\sqrt{3})\\ P_3(4+2\sqrt{7},2-\sqrt{7}), P_4(4-2\sqrt{7},2+\sqrt{7})

方法四:公式法

唯 一 真 神。

应用向量叉乘,对于 A(x1,y1),B(x2,y2)A(x_1,y_1),B(x_2,y_2) 和原点围成的三角形,有公式:

SAOB=12x1y2y1x2S_{\triangle AOB}=\dfrac{1}{2}|x_1y_2-y_1x_2|

加入一点 C(x3,y3)C(x_3,y_3),变换坐标系,原点到 AA 点,可得公式:

SABC=12(x3x1)(y2y1)(y3y1)(x2y1)S_{\triangle ABC}=\dfrac{1}{2}|(x_3-x_1)(y_2-y_1)-(y_3-y_1)(x_2-y_1)|

这个公式笔者自己编了口诀:三减一乘二减一,减号两边 xy 换,绝对值再取一半。

在本题中,可列方程:

124(x+2)8(6x3)=8\dfrac{1}{2}|-4(x+2)-8(-\dfrac{6}{x}-3)|=8

这个方程整理后与方法一一致,解得:

P1(23,3),P2(23,3)P3(4+27,27),P4(427,2+7)P_1(2\sqrt{3},-\sqrt{3}), P_2(-2\sqrt{3},\sqrt{3})\\ P_3(4+2\sqrt{7},2-\sqrt{7}), P_4(4-2\sqrt{7},2+\sqrt{7})

总结

遇到无法直接算的三角形面积,可以采用铅垂法、等积变形、作高法、公式法解题。一般在坐标系中,三角形面积的存在性问题有多个答案,要注意分类讨论,合理取舍。