题目
已知⊙O的半径为1,直线PA与⊙O相切于点A,直线PB与⊙O交于B,C两点,D为BC的中点,若|PO|=sqrt(2),则overrightarrow(PA)•overrightarrow(PD)的最大值为( )A. ((1+sqrt(2)))/(2)B. ((1+2sqrt(2)))/(2)C. 1+sqrt(2)D. 2+sqrt(2)
已知⊙O的半径为1,直线PA与⊙O相切于点A,直线PB与⊙O交于B,C两点,D为BC的中点,若|PO|=$\sqrt{2}$,则$\overrightarrow{PA}$•$\overrightarrow{PD}$的最大值为( )
- A. $\frac{{1+\sqrt{2}}}{2}$
- B. $\frac{{1+2\sqrt{2}}}{2}$
- C. 1+$\sqrt{2}$
- D. 2+$\sqrt{2}$
题目解答
答案
解:如图,设∠OPC=α,则$-\frac{π}{4}≤α≤\frac{π}{4}$,根据题意可得:∠APO=45°,
∴$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PD}=|\overrightarrow{PA}|•|\overrightarrow{PD}|•cos(α+\frac{π}{4})$
=$1×\sqrt{2}cosαcos(α+\frac{π}{4})$
=cos2α-sinαcosα
=$\frac{1+cos2α-sin2α}{2}$
=$\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{2}}{2}cos(2α+\frac{π}{4})$,又$-\frac{π}{4}≤α≤\frac{π}{4}$,
∴当$2α+\frac{π}{4}=0$,α=$-\frac{π}{8}$,cos($2α+\frac{π}{4}$)=1时,
$\overrightarrow{PA}•\overrightarrow{PD}$取得最大值$\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{2}}{2}$.
故选:A.
解析
考查要点:本题综合考查几何与向量的结合,涉及圆的切线性质、向量点积的最值问题,需要运用三角函数、几何关系及极值求解方法。
解题核心思路:
- 几何性质应用:利用切线性质(切线与半径垂直)确定关键角度,结合勾股定理求出线段长度。
- 向量点积表达:将向量点积转化为三角函数表达式,通过角度参数化简表达式。
- 极值求解:利用三角恒等式将表达式转化为单一三角函数形式,结合角度范围确定最大值。
破题关键点:
- 确定关键角度:通过几何关系找到角度$\alpha$的范围及与向量方向的关系。
- 向量模长与夹角计算:结合几何图形推导$\overrightarrow{PA}$和$\overrightarrow{PD}$的模长及夹角。
- 三角恒等变换:将复杂三角表达式转化为标准形式,便于求极值。
步骤1:几何关系分析
- 切线性质:$\because PA$与⊙O相切于$A$,$\therefore PA \perp OA$,即$\angle OAP = 90^\circ$。
- 勾股定理:在$\triangle OAP$中,$OP = \sqrt{2}$,$OA = 1$,故$PA = \sqrt{OP^2 - OA^2} = 1$。
- 角度关系:$\angle APO = 45^\circ$(等腰直角三角形性质)。
步骤2:向量点积表达式
- 向量模长:$|\overrightarrow{PA}| = 1$,$|\overrightarrow{PD}| = \sqrt{2} \cos \alpha$(几何关系推导)。
- 夹角计算:$\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PD} = |\overrightarrow{PA}| \cdot |\overrightarrow{PD}| \cdot \cos(\alpha + 45^\circ)$。
- 表达式化简:
$\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PD} = 1 \cdot \sqrt{2} \cos \alpha \cdot \cos\left(\alpha + \frac{\pi}{4}\right)$
展开并化简为:
$\cos^2 \alpha - \sin \alpha \cos \alpha = \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \cos\left(2\alpha + \frac{\pi}{4}\right)$
步骤3:极值求解
- 角度范围:$-\frac{\pi}{4} \leq \alpha \leq \frac{\pi}{4}$,故$2\alpha + \frac{\pi}{4}$的范围为$-\frac{\pi}{4} \leq 2\alpha + \frac{\pi}{4} \leq \frac{3\pi}{4}$。
- 最大值条件:当$\cos\left(2\alpha + \frac{\pi}{4}\right) = 1$时,即$2\alpha + \frac{\pi}{4} = 0$,$\alpha = -\frac{\pi}{8}$,此时点积取得最大值:
$\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}$