大家都在喊高考数学太难了,其实和大学数学比起来,高考的题目大多数都只能算小儿科。如果高考的数学不出得难一点,到了大学,如何解决得了高等数学的问题呢?下面是高等数学一道普通难度的题目,关于抛物线截取法线的线段最短问题。老黄感觉解这样的题目,有点像撞大运,撞对方向就解出来了,撞错了方向,就怎么样也解不出来。
在抛物线y^2=2px上哪一点的法线被抛物线所截之线段最短.
瞧这题目看起来,多简单!但千万不要被它“老实”的外表欺骗了,字越少,看起来越简单的高数问题,有可能越麻烦哦。
可以利用逆向思维,找到解题的思路。这道题并不适合使用几何法,用代数法一般都是直接利用两点的距离公式,列出两点距离与某个交点的横(或纵)坐标的函数关系,利用这个函数的导数,分析它的单调性和原函数的最值(通过比较极值和端点值等的大小),来得到这个最短距离。并确定问题的答案。
这就需要两个交点的坐标,其中可以包含一个未知数。这可以通过求过这两点的直线与抛物线的交点来实现。过这两点的直线,就是抛物线在某点的法线。也就包括与这条法线互相垂直的切线的切点。这道题实质就是要求这个切点。其图像如下:(这里默认p>0)
而这个切点肯定是需要通过假设它的坐标来得到的。再结合对抛物线求导,得到切线斜率,就可以得到抛物线过这点的切线方程。再把上面逆向思维的过程反转过来,变成正向的逻辑思维。
有了切线方程,就可以列切线和抛物线的交点方程,解得两个交点的坐标,再列两点的距离公式,得到距离关于切点的一个坐标的函数。最后求导,确定距离函数的变化趋势,以得到最小值,就能得到切点的坐标。
分析起来一套一套的,真正解起来,又会有不少问题,老黄放在解题过程中进行插叙分析。
解:∵2yy’=2p, ∴y’=p/y. 【对抛物线方程两边同时求导,从而得到y的导数,如果把它化为y'=根号(p/(2x)),下面的运算反而会更麻烦】
设 抛物线上一点(a,b),则 过这点的法线方程为:y-b=-b(x-a)/p, 代入x=y^2/(2p), 得:
y-b=-b(y^2/(2p)-a)/p,即y^2 2p^2y/b-(2p^2 2pa)=0,【方程会有不同的形式,但这是对运算最有利的形式】
(y1-y2)^2=4p^4/b^2 8p^2 4pa=2p^3/a 8p^2 8pa,
(x1-x2)^2=(y1^2-y2^2)^2/(4p^2)=p^4/a^2 4p^3/a 4p^2,【这是把两点的距离公式给拆散了,否则式子也太复杂了】
记法线被抛物线所截线段的长的平方为D,则【距离的平方最小,距离自然也最小】
D(a)=2p^3/a 8p^2 8pa p^4/a^2 4p^3/a 4p^2=(8pa^3 12p^2a^2 6p^3a p^4)/a^2,
当D’=2p(4a^3-3p^2a-p^3)/a^3,即2p(a-p)(2a p)^2=0时【因式分解的过程也是一大难点】
解得:a=p或a=-p/2(舍去),【a不可能和p异号,题目并没有交代p>0,不过默认p是大于0的】
当a<p时,D’<0;当a>p时,D’>0,
a=p是D(a)唯一的极(小)值点,∴D(p)最小. 【连续函数有唯一的极值点,那么这个极值点就是最值点】
∴抛物线在(p, ±根号2 p)的法线被抛物线所截线段最短.
如果p<0,或当p>0时,y^2=-2px,由函数的对称性,也会有相同的结论,如下图:
大家现在对着答案理解,自然觉得不是很难,但你可知道,在解这道题的过程中,老黄尝试了多少次错误吗?
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