直角三角形中$KP+PQ+QH$的最小值求解及解题思路问询
我给你几个逐步推进的思路,你可以跟着试试:
先把问题坐标化,用代数语言描述各段长度
把直角顶点C放在坐标原点(0,0),BC放在x轴上,AC放在y轴上,这样各点坐标就很清晰了:A(0,b),B(a,0),斜边AB的直线方程可以写成$\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1$(也就是$bx + ay - ab = 0$)。设P点坐标为$(p,0)$($0≤p≤a$),Q点坐标为$(0,q)$($0≤q≤b$)。把$KP$、$QH$、$PQ$都用p和q表示出来
根据点到直线的距离公式,P到AB的垂直距离$KP = \frac{b(a-p)}{\sqrt{a2+b2}}$,Q到AB的垂直距离$QH = \frac{a(b-q)}{\sqrt{a2+b2}}$;而PQ是直角三角形CPQ的斜边,长度就是$\sqrt{p2+q2}$。这样目标总和就变成了关于p和q的二元函数:
$$f(p,q) = \frac{b(a-p)}{\sqrt{a2+b2}} + \sqrt{p2+q2} + \frac{a(b-q)}{\sqrt{a2+b2}}$$化简目标函数,分离常数和变量部分
把式子整理一下,把常数项提出来:
$$f(p,q) = \frac{2ab}{\sqrt{a2+b2}} + \left( \sqrt{p2+q2} - \frac{bp + aq}{\sqrt{a2+b2}} \right)$$
现在问题转化为求括号里部分的最小值,因为前面的$\frac{2ab}{\sqrt{a2+b2}}$是固定常数。用代数变形或者向量几何分析变量部分
对括号里的部分做分子有理化(或者用向量投影的思路):把$\sqrt{p2+q2} - \frac{bp + aq}{\sqrt{a2+b2}}$通分后,分子展开会得到$(ap - bq)^2$,分母是正数,所以这个部分大于等于0,当且仅当$ap = bq$时取到0。验证最小值的情况
当$ap = bq$时,括号部分为0,此时$f(p,q)$等于$\frac{2ab}{\sqrt{a2+b2}}$。你可以再代入特殊值验证,比如令p=0、q=0(也就是P、Q都和C重合),此时KP和QH都是C到AB的距离,PQ=0,总和正好是$2\times\frac{ab}{\sqrt{a2+b2}}$,和我们得到的结果一致。另外你也可以对满足$ap=bq$的情况(比如设$p=ka$,$q=kb$,k∈[0,1])构造关于k的函数,求导后会发现这个函数是单调递增的,最小值确实在k=0时取得。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者Trobeli




