最值与范围

解析几何中的最值与范围题,表面是在求一个数,实质是在研究参数受到哪些约束。约束常来自曲线方程、判别式、点的位置、几何距离和不等式。

常见方法

判别式法:把存在性转化为

$$ \Delta\ge0. $$

函数法:把目标表示成一个变量的函数,再求最值。

基本不等式法:当表达式形如正数和、积固定或平方和时使用。

参数法:用斜率、角参数或曲线参数表示点。

几何法:用距离、圆、投影、对称或切线理解最值。

范围题的基本流程

  1. 设变量。
  2. 写目标表达式。
  3. 找变量约束。
  4. 求目标范围。
  5. 检查端点是否能取到。

直线与曲线最值

常见目标:

  1. 点到直线距离的最值。
  2. 弦长最大最小。
  3. 三角形面积最值。
  4. 斜率或斜率乘积范围。
  5. 参数 $m,k,e$ 的范围。

很多最值题最终会变成一元二次函数、分式函数或判别式条件。

判别式视角

如果某个量 $t$ 存在对应的点或直线,可以把条件整理成关于某个变量的一元二次方程。为了有实数解,需要

$$ \Delta\ge0. $$

这会给出 $t$ 的范围。

训练题

  1. 点 $P$ 在圆 $x^2+y^2=1$ 上,求 $x+y$ 的范围。
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由柯西不等式:

$$ (x+y)^2\le 2(x^2+y^2)=2. $$

所以 $x+y\in[-\sqrt2,\sqrt2]$。

  1. 点 $P$ 在椭圆 $\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{4}=1$ 上,求 $x$ 的范围。
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由方程得 $\frac{x^2}{9}\le1$,所以 $-3\le x\le3$。

  1. 直线 $y=kx+1$ 与圆 $x^2+y^2=1$ 有公共点,求 $k$ 的条件。
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圆心到直线 $kx-y+1=0$ 的距离不超过半径:

$$ \frac{1}{\sqrt{k^2+1}}\le1. $$

对任意实数 $k$ 成立。且当距离等于半径时相切。

  1. 若 $t>0$,求 $t+\frac1t$ 的最小值。
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由基本不等式,

$$ t+\frac1t\ge2, $$

当 $t=1$ 时取等号。

  1. 为什么范围题要检查端点?
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代数推导可能得到闭区间或开区间,但端点是否能取到取决于原题是否允许,例如是否要求两交点不同、是否要求直线不与坐标轴平行等。

讲题追问

最值题不要只问“怎么算”,要先问“变量的范围是什么”。没有约束的最值是不存在的。