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如图, 在 ΔABC 中, AB=3AC, AD 是 ∠A 的角平分线, 且 AD=kAC.
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  1. 求实数 k 的取值范围;
  2. 若 ΔABC 的面积为 34, 则 k 为何值时 BC 最短, 并求出此时 BC 的值.
解

  1. 记 AC=b, 则 AB=3b, AD=kb. 设 ∠CAD=∠BAD=α, α∈(0,π2). 注意到面积关系 SΔABC=SΔACD+SΔABD, 即 12b⋅3b⋅sin⁡2α=12b⋅kb⋅sin⁡α+123b⋅kb⋅sin⁡α⇒k=32cos⁡α∈(0,32).
  2. 记 BC=a. 一方面根据面积条件 SΔABC=12b⋅3bsin⁡A=34⇒sin⁡A=12b2, 另一方面根据余弦定理 cos⁡A=b2+(3b2)−a22b(3b)=53−a26b2. 则消去 b2 有 a2=5−3cos⁡Asin⁡A≥(4sin⁡A+3cos⁡A)−3cos⁡Asin⁡A=4, 从而 amin=2. 取等条件为 cos⁡A=35=2cos2⁡α−1=2(23k)2−1⇒k=355.

这里的 5≥4sin⁡A+3cos⁡A 既可以理解成柯西不等式又可以理解成辅助角公式.
以下是几种处理 5−3cos⁡Asin⁡A 的其他方法:

  1. 对 A 求导.
  2. 利用万能公式 a2=2+8t22t≥4.
  3. 利用反向柯西不等式 5−3cos⁡Asin⁡A≥(1−cos2⁡A)(52−32)sin⁡A=4.
  4. 利用几何意义: 单位圆上的点 (sin⁡A,cos⁡A) 到 (0,53) 连线斜率的 5 倍, 最值应该在某个切线处取到.
  5. 利用判别式: 令 cos⁡A=t, 则平方后整理得有 (9+a4)t2−30t+25−a4=0, 判别式为 Δ=900−4(9+a4)(25−a4)≥0, 推出 a≥2.