2002年 第 8期 数学通报 21
关于抛物线的十个最值问题
李迪淼 (湖南师大附中 长沙410006)
本文用初等方法讨论 了与抛物线有关 的若
干几何最值问题 ,得到了十个有趣的结论.为方便
读者摘用,现用定理形式叙述如下 :
定理 1 抛物线 的所有焦半径 中,以过顶点
的焦半径为最短.
证明 不妨设抛物线 的极坐标方程为 l0=
,则显然有 10≥ ,其中等号成立当且仅
当 0:2k丌+丌(k(--Z)即焦半径通过抛物线的
顶点时.
定理 2 抛物线的过焦点的所有弦 中,以抛
物线的通径为最短.
证 明 设 抛 物 线 极 坐 标 方 程 为 l0 =
,焦点弦为 AB,且设 |4(10I,0),B(102,0+
I — COSU
丌),则有
l AB l=10I+102=南 +
=一 ≥ 2p=通径长,1 一
一 (c0s ) 一~ 。一 ’
其中等号成立当且仅 当 = krr+丌/2( ∈
z)即弦 AB为通径时.
定理 3 设 A(0,0)是抛物线 Y =2px(P>
0)的对称轴上的定点 ,M( ,Y)是抛物线上的动
点 ,则
⋯
f 1 0 l (当 0≤P时),
。 m i 当。≥P时).
证明 由 l MA l :( 一0) +Y =( 一
0)2+2px= 2—2(o—P) +02= [ 一(0一
P)] +p(2a—P),注意到 ∈ [0,+∞),知结论
成立 .
定理 4 设 /4(0,b)是抛
物线 Y :2px(P>0)内一定
点,F是焦点 , 是抛 物线上
的动点,则
(1 MA l+l F 1) i = 0
+ p/2.
证明 如图 1所示 ,作
AQ_l_准线 L: =一p/2于 Q,则知
图 1
(1 MA l+l MF 1) i =l AQ
= 0一(一p/2)= 0+p/2.
定理 5 设线段 AB是抛
物线 Y =2px(P>0)的过焦
点的弦,分别以 A、B为切点的
抛物线 的两条切线相交于点
,则三角形 ABM 的面积的最
小值为 P .
证 明 设 A( l,Y1),
-
●
x
"
\
~
图 2
B(x2,Y2),则由 A、F、B三点共线可得 :
l Y2一x2yl=p/2·(Y2一Y1) (1)
于是利用(1)式及两切线方程
AM :yl Y = P( +X1),
BM :Y2Y = P( +X2),
易得 的坐标( ,Y)适合 :
= 一p/2,
【Y =P(一p/2+X1)/Y1.
因为 ·ka,:一1,所以 MF_l_AB,即 l MF
l是 △MAB的AB边上的高.
因为 l MF l≥l FK l(焦点 F到准线 =一
p/2的距离):P,
又由定理 2知 l AB I≥2p(通径长),
所 以 S△ = 1/2·l AB 1.1 MF l
≥ 1/2 ·2p ’P = P ,
因其中等号当且仅当AB_l_ 轴时成立,故三
角形 MAB的最小值为P .证毕.
定理 6 过抛物线 Y2=
2px的顶点 0引两条互相垂直
的动弦 OA和 OB,则三 角形
OAB的面积的最小值为4p .
证 明 设 A( l,Y1),
8(x2,Y2),贝0由 0A j_0B得
J 一
()
B 、———~
Xl X2+yl y2:0 (1) 图 3
将 Y{=2pxl,Y;=2px2代入(1)立得:
l 2=4p (2)
于是
(S/x04B) = 1/4·l OA l ·l OB l
= 1/4·( }+y})·( ;+),;)
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22 2002年 第 8期 数学通报
: 1/4·( }+2px1)·( ;+2px2)
= 1/4 ·[( l X2)2+2pxl 2( l+X2)+
4p l 2]
≥ 1/4 ·[(Xl X2) +2pxI x2(2~/Xl X2+
4p2 l 2] (3)
将(2)式代./k(3)则得(5△ ) ≥ 16p ,从而
S△ ≥4p ,因其中等号当 l= 2=2p时取
到,故三角形 OAB的面积的最小值为 4p .
定理7 抛物线 Y :2px的内接等腰直角三
角形的面积的最小值为 4p .
证明 设 RtAABC内接
于抛物线 Y :2px,点 C为直
角顶 点 ,设 A( l,Y1),B( 2,
Y2),C( 3,Y3),根据抛物线的
对称性以及其开 口方向,不妨
设 Yl>0,Y2
I Al l知 ZAMAl> 图5
Al AM = 丌/2一 AMA1,
所 以 AMAl> 丌/4;
同理 BMBl> 丌/4,故有 AMB <丌/2.
定理 9 设 AB是抛物线Y=ax (a>0)的
长为 m的动弦,则
I.当 m≥1/a(通径长)时,AB的中点 到
轴的距离的最小值为(2ma一1)/4a;
Ⅱ.当 m <1/a(通径长)时,AB的中点 到
轴的距离的最小值为 am /4.
iY_~fl 设 M( o,Yo),将直线
AB的参数方程
: c其中z为
参数 ,倾斜角 a≠ rr/2)
代人 Y= ax 并整理得
a(cosa) ·t +(2axoCOSOt—
。
、’
A
()
图 6
sina)·t+(ax5一Yo)=0,故由韦达定理和参数
t的几何意义以及 l AB l=m立得
t1+t2=一(2axocosa—slna)/a(cosa) =0
tlt2=(ax6一Yo)/a(cosa) =一(m/2) ②
由 ① 解出 o并代人 ② 整理得
y0= (seca) +Tam2(c⋯ ) 一 1 ③
对 ③ 右边前两项利用基本不等式则得
y。≥ 2 。 m
一
1
= (2,m 一1)/4口.于是 ,令
(seca) = a4m2( sa) ,得(c蝴 ) = 1
.
因此 ,当 am ≥ 1时,(Yo) i =(2ma一1)/4a;
当0分析 、重组 、联想 、猜测等思
维过程产生的 自己从未有过的想法 、见解和解决
问题的方法(也称类创造).无论是真创造还是类
创造,其过程本质上都是一种思维活动,就其思维
性质而言是一样的,即都必须具备新颖 、独特和有
意义三个特征.“新颖”是指从纵向看 ,历史上(对
学生来说主要是指他个人 的经历)前所未有的;
“独特”是指从横 向看 ,思考是与众不 同,别出心
裁(在教学中是相对于一定的学生群体而言的);
“有意义”则是指有社会价值或个人价值.
数学解题的创新主要是就上述中后一意义而
言的.这是因为教学中的数学解题 ,就其过程来看
往往并不具备数学 问题解决 的严谨性和
性;
就其结果来看,一般是已有数学结论的运用或“再
发现”.尽管如此 ,但从教育价值的角度来看 ,学习
者在数学解题中通过对数学研究的思维方式 、研
究方法的学习运用和探索性 问题 的创造性解决,
来亲身体验数学家研究和解决问题过程中的思维
活动和心理活动,完全能达到有效培养创新意识
和创新能力的目的.就这一意义而言 ,数学解题中
的创新更多地是指在解题教学过程中学生所表现
出来的探索精神 、求异思维和非常规想象等.创新
在某种意义上就是超越和突破,它在数学解题中
的外显特征就是别出心裁和标新立异.
2 数学解题创新的教学原则
2.1 主体性原则
传统的注入式的解释性教学 ,一是导致学生
主体精神的弱化 ,二是创新所需的问题意识 、探究
能力因没有开发训练而萎缩.科学研究表明,有创
造性的人具有主体性人格特征,指 向创造性培养
的教学必须以学生的主体性发展为条件和最终 目
的,因而主体性原则是实施解题创新教学时首先
要考虑的.这一原则包括 了人们常说的民主性原
则、知情协调原则和 自主选择原则等.贯彻这一原
则,一是要让学生成为课堂教学的主人 ,充分调动
其学习的积极性 、主动性和创造性;二是要让课堂
教学焕发出生命色彩,有充满激情的课堂教学氛
围;三是要发扬教学民主,给学生一定的 自主选择
的权力.具体到数学解题教学中,要求教师在进行
教学
时,要注意:凡是能由学生提的问题就不
要 由教师给;凡是能由学生解的例题就不要教师
定理 lO 设 A 是抛物线 Y :2px的焦点
弦,0为坐标 原点 ,则三 角形
OAB的面积的最小值为p /2.
证明 (1)当 AB上 轴
时,显然有 S/"A册 =p2/2;
(2)当 AB不垂直 轴时 ,
设 AB:Y: k( —p/2),代入
Y :2px并整理得k 一(pk
厂 一
rJ F J
、 —
~
图 7
+2p) +kZp /4:0.于是设 A(x1,Y1), ( 2,
Y2),则由弦长公式和韦达定理得 :
AB I:~/(1+k2)[( 1+X2) 一4xl 2]
:
一
卫! ±墨 j
k
又顶点 0到弦AB的距离
d :』
.
2√ k + 1
故此时SAA∞:{I A 卜d
一
.
. 卫( ±墨 . !盘L卫
一 2 k 2
~/k +1 卫
一 .
_±一 、
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