如图,对一个边长为1的单位正三角形,在初始时刻,三个动点各自位于三角形的三个顶点处。随后同时出发,以相同的速度沿着三角形的边运动。三个动点的连线在运动的过程中始终形成一个新的,小一点的正三角形。效果如下:

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(1)

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(2)

求中间空白区域的面积。

分析

直观上来看,中间空白区域很像一个莱洛三角形(如下图深色部分),但稍微分析一下,就知道这一定不是莱洛三角形

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(3)

莱洛三角形的三条边是三条对应60°圆周角的圆弧,而围出空白区域的三条曲边,我们不妨取其中的一条看看。如下,

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(4)

这明显不是圆弧,看上去更像一条抛物线。

事实上,如果学过微积分或微分几何,很容易通过解析几何的方法计算曲线族的包络:

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(5)

建立上图所示的坐标系,AB=BC=AC=1。点E和点F是两个动点。满足AF AE=1。设AF=t,则

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(6)

于是直线EF的点斜式方程为

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(7)

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(8)

我们就得到了一组含有参数t的直线族

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(9)

它的包络曲线的方程为

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(10)

消去参数t,可得

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(11)

这是一个开口向下,以y轴为对称轴,(0,√3/4)为顶点,且经过点(-1/2,0)和(1/2,0)的 抛物线!

根据对称性,另外两条包络曲线也是形状相同的抛物线。

既然要计算面积,就需要知道他们交点的坐标。

我们不必再去计算另外两个抛物线的方程,根据如下对称性,

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(12)

蓝色抛物线和红色抛物线的交点,也是蓝色抛物线和正三角形一条高的交点。

这条高的方程很容易求,从而和抛物线的交点为(-1/6,2√3/9)。过程略。

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(13)

连接三个交点,这样待求面积转化为一个边长为1/3的正三角形和三个小曲边三角形的面积。

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(14)

大功告成。

过程稍显复杂。难点主要在于包络曲线的计算。

如果已经知道是抛物线,那么直接根据抛物线经过的三个特殊点(也就是正三角形底边的两个顶点B和C,底边上中位线的中点D)得到其方程,就不必求偏导联立方程组计算了。

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(15)

怎样确定这是一条抛物线呢?

注意到求出的抛物线恰好以三角形的中心为焦点,再联系抛物线的光学几何性质,不难得到其切线恰好将三角形的周长按1:2分成两部分。根据同一法立得,包络曲线正是这条抛物线。

最后,将题目稍作改编,难度就比较小,且适合高中生做:

双曲线焦点三角形面积计算公式(变化的正三角形)(16)

对上图所示正三角形,一条抛物线经过其两个顶点。抛物线以该三角形的中心为焦点,以该三角形的高为对称轴。取抛物线上位于在三角形内部的任意一点,做切线DE。

证明:线段DE将正三角形的周长按固定比1:2分成两部分。

这个问题留给你们。

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