本题导读

本题考查平面向量与三角函数的综合应用。第一问利用三角形面积公式与向量数量积公式建立联立关系,消去模长乘积从而转化为关于夹角 的三角不等式;第二问利用倍角公式、降幂公式将目标函数化为单弦型结构, 结合第一问解出的定义域求解最值。

📌【题干】

Question

(2007年湖北卷(理)) 已知 的面积为 3,且满足 ,设 和 的夹角为 .

(1) 求 的取值范围;

(2) 求函数 的最大值与最小值.

🔍【思路分析】

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  1. 第一问:
  • 由三角形面积公式有 。
  • 由向量数量积公式有 。
  • 代入已知不等式组 。结合 解出范围。
  1. 第二问:
  • 利用二倍角降幂公式化简 。

  • 目标函数重组为 。

  • 引入辅助角公式(两角和与差公式)将其合并为 。

  • 根据 的取值范围锁定复合角 的边界区间,从而直出最值。

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函数 的最大值为 ,最小值为

✍【详细解析】

Abstract

解:(1)根据三角形面积计算公式: 因为 是 的内角, 且面积不为 0, 故 。

依据平面向量数量积的数理定义: 将①式整体代入②式中以消去模长乘积项:

将此代数代换式直接代入题干给出的核心不等式限制条件 中:

由于 , 结合余切函数 在直观数轴上的单调递减性质:

  • 当 时, ;
  • 当 时, 。 取两者的公共交集区间, 得到夹角 的精确取值范围为:

(2)首先对函数 的解析式进行降幂恒等变形。 运用余弦二倍角降幂公式 : 根据诱导公式 :

将此化简分量代回原函数解析式中: 运用辅助角公式进行单弦归拢合成:

根据第(1)问求得的自变量定义域限制 , 逐步推导复合角 的边界范围: 各项同时减去 :

考查正弦函数 在闭区间 上的图象分布特征:

  • 当 时, 正弦值取得最大值 ;
  • 当 时, 对应左端点函数值 ;
  • 当 时, 对应右端点函数值 。 由于 , 故该闭区间内的绝对最小值在左端点取得, 最小值为 。

代入最值进行算术常数放大与平移计算:

  • 最大值:
  • 最小值:

综上所述,函数 的最大值为 ,最小值为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:向量坐标代数向三角恒等式的跨界转换( )、复合角辅助角公式( )、闭区间二次复合三角函数最值扫描。
  2. 核心方法:两式代除消元法、辅助角复合单调性判定法。
  3. 避坑指南:
  • 第二问中化简 时,诱导公式的负号极其容易看错。 位于第二象限, 余弦为负, 负负得正化为 。
  • 计算区间最值时, 绝对不能盲目地以为最小值一定在右端点或左端点直接代入。必须老老实实计算出复合角 , 发现中间包含了顶点 。通过比对两端点正弦值的大小来精准截取绝对最小值, 以免功亏一篑。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题考查三角形面积公式、平面向量数量积与夹角公式,是湖北卷(理)解答题的高频命题方向,同型题见下方类题演练。
  2. 变式思考:本题的核心步骤(两式相除消元法、降幂扩角化简法)可迁移到同类问题——若改变题设条件(如更换数值或几何对象),解法框架不变,重在把握「条件→目标」的转化路径。
  3. 知识关联:三角形面积公式、平面向量数量积与夹角公式相互关联,解答中综合运用了两式相除消元法、降幂扩角化简法,建议结合知识锚点中的对应专题系统梳理。

🔗【关联脉络】

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