探究立幾最值 提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)

河南省平頂山市第一中學(xué) 張玲敏

河南省平頂山市第一高級(jí)中學(xué) 劉海洋

探究立幾最值 提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)

河南省平頂山市第一中學(xué) 張玲敏

河南省平頂山市第一高級(jí)中學(xué) 劉海洋

求解立體幾何的最值問(wèn)題,要么構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),要么利用幾何性質(zhì),探究?jī)煞N途徑在發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中所蘊(yùn)含的思維方法,可以提高構(gòu)建函數(shù)模型、直觀(guān)想象、邏輯推理、合理運(yùn)算等核心素養(yǎng),凸顯空間問(wèn)題“平幾化、代數(shù)化、特殊化、邏輯化”的本質(zhì)屬性。

一、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)模型求解立幾最值

1.依據(jù)正三棱錐的特征構(gòu)建函數(shù)模型,導(dǎo)數(shù)法求解包裝問(wèn)題中的最值。

例1 某商場(chǎng)為促銷(xiāo)要準(zhǔn)備一些正三棱錐形狀的裝飾品,用半徑為1 0c m的圓形包裝紙包裝。要求如下:正三棱錐的底面中心與包裝紙的圓心重合,包裝紙不能裁剪,沿底邊向上翻折,其邊緣恰好達(dá)到三棱錐的頂點(diǎn),如圖1所示。設(shè)正三棱錐的底面邊長(zhǎng)為xc m,體積為Vc m3。在所有能用這種包裝紙包裝的正三棱錐裝飾品中,V的最大值是多少?并求此時(shí)x的值。

圖1

解析:正三棱錐側(cè)面開(kāi)展鋪平內(nèi)接于半徑為1 0c m的圓內(nèi)。按照底邊包裝時(shí)體積最大,設(shè)正三棱錐側(cè)面的高為h0,高為h。

當(dāng)x∈(0,8 3)時(shí),y′＞0,當(dāng)x∈(8 3,1 0)時(shí)＜0,所以當(dāng)x=8時(shí),y取得最大值,即ymax=1 53 6 0,Vmax=3 2(c m3)。

素養(yǎng)點(diǎn)擊:借助半徑為1 0c m的圓形包裝紙包裝正三棱錐,利用斜高和底面邊長(zhǎng)x+h

0=1 0的關(guān)系,構(gòu)建三棱錐體積和邊長(zhǎng)的函數(shù)模型,導(dǎo)數(shù)法求最值解決了包裝的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

2.利用圓錐的幾何特征構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),通過(guò)均值不等式求體積的最值。

圖2

例2 某工件的三視圖如圖2所示,現(xiàn)將該工件通過(guò)切割,加工成一個(gè)體積盡可能大的長(zhǎng)方體新工件,并使新工件的一個(gè)面落在原工件的一個(gè)面內(nèi),則原工件材料的利用

圖3

解析:作出軸截面,如圖3,設(shè)長(zhǎng)方體的長(zhǎng),寬,高分別為x,y,h,長(zhǎng)方體的上底面與圓錐的截面半徑為a,所以x2+y2=4a2=,所以h=2-2a,所以V=x y h≤h=2a2h=(2 -2a)=

素養(yǎng)點(diǎn)擊:借助圓錐的軸截面探究?jī)?nèi)接長(zhǎng)方體的長(zhǎng)、寬、高與圓錐的截面半徑的關(guān)系,合理選擇圓錐的截面半徑為變量構(gòu)建函數(shù)模型,利用三元基本不等式求其最值,進(jìn)而解決了新定義的材料利用率問(wèn)題。

二、幾何法探求立幾最值

1.利用垂直關(guān)系確定高的最值。

例3 (2 0 1 7年云南省部分名校高三1月)表面積為6 0 π的球面上有四點(diǎn)S、A、B、C,且△A B C是等邊三角形,球心O到平面A B C的距離為3,若平面S A B⊥平面A B C,則三棱錐S-A B C體積的最大值為_(kāi)___。

解析:由題意畫(huà)出幾何體的圖形,如圖4,因?yàn)榍虻谋砻娣e為6 0 π,所以球半徑為,由于面S A B⊥面A B C,所以點(diǎn)S在平面A B C上的射影D落在A(yíng) B上。設(shè)O在平面A B C上的射影為O′,由于O O′⊥平面A B C,S D⊥平面A B C,即有O O′∥S D,當(dāng)D為A B的中點(diǎn)時(shí),S D最大,三棱錐S-A B C的體積最大。由于O C=,O O′=,則 C O′=,D O′=,故△A B C是邊長(zhǎng)為6的正三角形,S△ABC=×62=9 3。在直角梯形S D O′O中,作O E⊥S D于點(diǎn)E,O E=D O′=,D E=O O′=3,S D=D E+S E=+=3 3,即有VS-ABC=S h=×9×3=2 7。

圖4

素養(yǎng)點(diǎn)擊:求底面為定值的三棱錐的體積的最值,可以合理轉(zhuǎn)化為求高的最大值,借助面面垂直性質(zhì)和球的屬性再轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)直角梯形S D O′O下底的長(zhǎng),整個(gè)轉(zhuǎn)化探究過(guò)程可以提高同學(xué)們的直觀(guān)想象、邏輯推理、合理運(yùn)算等核心素養(yǎng)。

2.依據(jù)正方體和正四面體的特征確定最值。

例4 一個(gè)棱長(zhǎng)為6的正四面體紙盒內(nèi)放一個(gè)正方體,若正方體可以在紙盒內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng),則正方體棱長(zhǎng)的最大值為( )。

A.2 B.3 C.1 D.2

解析:正四面體內(nèi)放一個(gè)正方體,可以任意轉(zhuǎn)動(dòng),則這個(gè)正方體就是這個(gè)正四面體的內(nèi)切球的內(nèi)接正方體。容易求得,棱長(zhǎng)為6的正四面體的內(nèi)切球半徑為×6=,于是這個(gè)球的內(nèi)接正方體的體對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)為6,設(shè)正方體的棱長(zhǎng)為x,則3x=6,于是x=,即滿(mǎn)足條件的正方體棱長(zhǎng)的最大值為,選擇D。

素養(yǎng)點(diǎn)擊:正四面體的內(nèi)接最大正方體,都是多面體,無(wú)法直接尋找關(guān)系,我們通過(guò)尋找球來(lái)過(guò)渡,在正四面體和正方體中依靠球來(lái)轉(zhuǎn)換,先尋找正四面體的內(nèi)切球半徑,再求解這個(gè)球的內(nèi)接正方體的棱長(zhǎng)。借助空間認(rèn)識(shí)事物的位置關(guān)系、形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.鋪平法探究多面體或旋轉(zhuǎn)體表面上兩點(diǎn)間的距離。

圖5

例5 如圖5,已知圓錐的底面半徑為1,母線(xiàn)A S長(zhǎng)為6,M為A S的中點(diǎn),有一根繩子從A點(diǎn)出發(fā),沿圓錐的側(cè)面繞一周到達(dá)M點(diǎn),問(wèn)繩子最短是____。

解析:如圖5,沿母線(xiàn)S A將圓錐側(cè)面展開(kāi),A,M點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)展開(kāi)圖中的A1,M1點(diǎn),則在展開(kāi)圖中,線(xiàn)段AM1的長(zhǎng)度即為最短繩長(zhǎng)。因 為 ∠AS A==6 0°,

1S A1=S A,所以△S A1A是正三角形,所以AM1⊥S A1。所以 AM1===3,即繩子最短為3 3。

素養(yǎng)點(diǎn)擊:多面體或旋轉(zhuǎn)體表面上兩點(diǎn)的最短距離,“沿母線(xiàn)或棱剪開(kāi)鋪平側(cè)面展開(kāi)化為平面上兩點(diǎn)之間的距離”求解。

注:本文系河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2 0 1 7年度課題“高中數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的案例研究”(課題編號(hào):【2 0 1 7】-J K G B-0 7 1 4)的階段性研究成果之一。

(責(zé)任編輯 王福華)