如图所示的正方形边长为 6,中心点为 OO,在正方形内随机选定一个点 PP。现在要在正方形边上找一点 QQ,使得三角形 OPQOPQ 的面积不小于 3。若点 PP 落在某个特定区域内,无论 QQ 如何选取都无法满足条件。那么,这个“特定区域”的面积是 ___。
A. 4
B. 6
C. 8
D. 12

完整解法

1. 建立平面直角坐标系并表示出三角形面积的表达式

以正方形中心 OO 为坐标原点建立平面直角坐标系,各边分别平行于坐标轴。
因为正方形边长为 6,所以正方形的四个顶点分别为 A(3,3)A(3, 3)、B(−3,3)B(-3, 3)、C(−3,−3)C(-3, -3)、D(3,−3)D(3, -3),正方形四条边上的点满足:
x=±3,y∈[−3,3]x = \pm 3, y \in [-3, 3] 或 y=±3,x∈[−3,3]y = \pm 3, x \in [-3, 3]。
设点 PP 的坐标为 (x,y)(x, y),边上点 QQ 的坐标为 (xQ,yQ)(x_Q, y_Q),则三角形 OPQOPQ 的面积为:
S△OPQ=12∣xyQ−yxQ∣S_{\triangle OPQ} = \frac{1}{2} |x y_Q - y x_Q|

2. 分析在边上取点 $Q$ 时三角形面积的最大值点

当点 QQ 在正方形的某条边(如右边线段 xQ=3,yQ∈[−3,3]x_Q = 3, y_Q \in [-3, 3])上变动时:
S△OPQ=12∣3y−xyQ∣S_{\triangle OPQ} = \frac{1}{2} |3y - x y_Q|
式中 3y−xyQ3y - x y_Q 为关于 yQy_Q 的一次函数,其绝对值的最大值必定在该线段的两个端点处取得。
同理,对正方形四条边的任意一条,面积的最大值均在正方形的四个顶点处取得。
分别计算点 QQ 位于四个顶点时的面积:

  • 当 Q=A(3,3)Q = A(3, 3) 或 C(−3,−3)C(-3, -3) 时,S△OPQ=12∣3x−3y∣=32∣x−y∣S_{\triangle OPQ} = \frac{1}{2} |3x - 3y| = \frac{3}{2} |x - y|;
  • 当 Q=B(−3,3)Q = B(-3, 3) 或 D(3,−3)D(3, -3) 时,S△OPQ=12∣3x+3y∣=32∣x+y∣S_{\triangle OPQ} = \frac{1}{2} |3x + 3y| = \frac{3}{2} |x + y|。
    因此,边上点 QQ 能使三角形面积达到的最大值为:
    max⁡QS△OPQ=max⁡(32∣x−y∣,32∣x+y∣)\max_{Q} S_{\triangle OPQ} = \max\left( \frac{3}{2}|x - y|, \frac{3}{2}|x + y| \right)

3. 确定“无论 $Q$ 如何选取都无法满足面积不小于 3”的点 $P$ 的区域并计算其面积

若无论 QQ 如何选取都无法满足 S△OPQ≥3S_{\triangle OPQ} \ge 3,说明三角形面积的最大值严格小于 3:
32∣x−y∣<3且32∣x+y∣<3\frac{3}{2}|x - y| < 3 \quad \text{且} \quad \frac{3}{2}|x + y| < 3
即:
∣x−y∣<2且∥x+y∥<2|x - y| < 2 \quad \text{且} \quad \|x + y\| < 2
该不等式组在坐标系中表示以 (2,0)(2, 0)、(0,2)(0, 2)、(−2,0)(-2, 0)、(0,−2)(0, -2) 为顶点的正方形区域。
该正方形的对角线长为 d=2−(−2)=4d = 2 - (-2) = 4(两对角线相互垂直平分),其面积为:
S=12×4×4=8S = \frac{1}{2} \times 4 \times 4 = 8
因此,该特定区域的面积是 8,对应选项 C。

答案

C

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