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第二百六十四夜:蒙日圆

更新时间:作者:小小条

蒙日,法国数学家、物理学家和化学家,画法几何的创始人。《画法几何》是在平面上绘制空间图形,并在平面图形上表达空间物体的大小、位置以及相互关系的一门学科。它在绘画、建筑、军事等方面有着广泛的应用。后人曾评价:“没有蒙日的几何,也许不可能有19世纪的大规模生产。”

蒙日的几何避开了麻烦的计算,法国大革命前后,由于军事建筑上的需要,画法几何曾被列为军事机密,未能及时公诸于世。直到军事约束解除后,蒙日才公布了他的研究成果,而这已经是30年以后的事了。

第二百六十四夜:蒙日圆

阿波罗尼斯圆、蒙日圆、费尔巴哈圆都是世界著名的圆,以此为载体的数学文化生机勃勃。阿波罗尼斯圆和蒙日圆,我曾多次提到,今日又遇上了,翻来覆去,是美好的回忆。

蒙日圆亦称“准圆”,属于“筷子夹汤圆”的一种。

以动点的坐标建立直线的方程,代入椭圆后,通过判别式为零得到一个关于斜率的一元二次方程,显然两切线的斜率均满足此方程,因此两切线的斜率即为该方程的两根。

这便是法1的解题思路。

法1是解决“筷子夹汤圆”的常用解法,因其套路程式化,步骤易于掌握而十分流行。

本题的难点是选项A,一旦确定了蒙日圆的方程,剩下的便易如反掌。而A中求轨迹方程的难点在于设元,究竟是设点,还是设线,抑或是由点设线,莫衷一是。以上的烦恼不过是作茧自缚,因为设点或设线都无关紧要,殊途同归。

法2便是纯粹设线,这种求轨迹方程的技法叫做“交轨法”。坦率地说,交轨法是求轨迹方程中较难的一种,难就难在消参。这需要敏锐的洞察能力,强大的抗压能力,以及彪悍的运算能力。一旦瞄准目标,三下五除二,便可一击得手。

即便交轨法是我所钟爱的方法,也没打算推荐给所有人。不感兴趣的完全可以跳过,丝毫不影响心情。

法3,几何法。给出的目的在于说明这也是一种方式,但它却并不寻常。如此多的线条纵横交错,令人心醉神迷。这不是关键,关键在于其中用到了一个工具——矩形性质。这并非什么化外之物,我曾在介绍平面向量的时候多次提及。不用则罢,一用飞天。

想必你也知道,解析几何也是几何,所以几何法一旦用上便可大显身手。同样,如果不感兴趣,法3也没必要费尽心机。会,未必与众不同;不会,也不至于自惭形秽。

本题中所有的问题皆是轨迹的问题,有了选项A作铺垫,选项BCD势如破竹,一发而不可收拾。

判断结论正确,严格推理;判断结论谬误,一个反例。选项B便是后者。

求折线段长度的最值——化折为直,等号在点共线时取得。有心二次曲线(椭圆与双曲线)到一个焦点,则转化到另一个焦点;无心二次曲线(抛物线)到焦点,则转化到准线,反之亦然。

蒙日圆的内接矩形,对角线即为直径,由此可利用均值不等式求得面积的最值。当矩形变为正方形,即矩形的顶点落在坐标轴上时,等号成立。

这里的选项A完全可以单独命题,而选项BCD亦可基于圆而自成一题。将二者糅合在一起反而方枘圆凿,不免累赘。

以蒙日圆为载体考查数学文化是本题的目的,但如果事先知晓结论(如常关注本人),那么本题唾手可得。当神秘的色彩消失殆尽,剩下干瘪的结论时,一切都变得兴味索然。

上述定理的证明与本题一致,在此不作赘述。

另外,抛物线是没有蒙日圆的。当然,如果强迫症非要整统一,那么动点的轨迹可视为半径无穷大的圆。换言之,即是圆退化成一条直线——准线。

蒙日圆有诸多优美的性质,时常出没于考试之中。它恍若带着面具的幽灵,来无影又去无踪,令人手足无措。精彩总在结束时,精彩总在下一次。下次我们继续。

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