本题导读

本题考查动态几何中的面积最值问题,涉及余弦定理、等边三角形面积公式与辅助角公式。

📌【题干】

Question

(1977年上海卷(理)) 如图所示,半圆 的直径为 2, 为半圆直径延长线上的一个点,且 , 为半圆上任一点,以 为边作等边 ,问 在什么地方时,四边形 的面积最大?并求出这个面积的最大值.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 设角为自变量:
  • 点 在半圆上,,。
  • 设 ,则 。
  1. 拆分四边形面积:
  2. 分别求两个三角形面积:
  • 。
  • 等边 的面积为 ,由余弦定理 。
  1. 合并用辅助角公式求最值:合并得 ,用辅助角公式 求最大值及对应角。

✅【答案】

Success

当动点 位于满足 (或 )的半圆弧位置时,四边形 的面积最大,最大值为

✍【详细解析】

Abstract

  • 第一步:设角,求 的面积 半圆直径为 2,故半径 ,又 。 设 。

由三角形面积公式:

  • 第二步:用余弦定理求等边 的面积 在 中,由余弦定理: 代入 :

是以 为边的等边三角形,由正三角形面积公式:

  • 第三步:合并得面积函数

  • 第四步:用辅助角公式求最值 对 ,因 :

于是:

当 时, 取最大值,此时:

,符合题意。 最大值为:

  • 第五步:说明点 的位置 当 时(即 与 的夹角为 时),面积最大。

所以,当动点 位于满足 (或 )的半圆弧位置时,四边形 的面积最大,最大值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:不规则图形的面积拆分、以角为自变量的函数建模、辅助角公式求最值。
  2. 核心方法:三角函数建模法。
  3. 避坑指南:
  • 误认为 时面积最大:总面积由 和等边 两部分共同决定。 时 的面积最大,但等边 的面积并未同时最大。由辅助角公式可得, 时两者之和才取到最大值。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题为 1977 年上海卷(理)第 9 题,考查解三角形、等边三角形面积与三角函数最值的综合应用。

  2. 结论推广:把面积表示成 后,可用辅助角公式化为 ,最大值为 。本题 ,得 。

🔗【关联脉络】

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