在△ABC\triangle ABC中,角AA,BB,CC的对边分别为aa,bb,cc,asin⁡B−3bcos⁡Bcos⁡C=3ccos⁡2B.(1)a\sin B-\sqrt{3}b\cos B\cos C=\sqrt{3}c{\cos}^{2}B.(1)求BB; (2)设DD为边ACAC上一点,BD=3BD=3,且___,求△ABC\triangle ABC面积的最小值. 从①BD⊥ACBD{\rm⊥}AC,②∠ABD=∠CBD{\rm∠}ABD={\rm∠}CBD这两个条件中任选一个,补充到上面问题中的横线上,并作答. 注:如果选择①和②两个条件分别作答,则按照第一个解答计分.

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完整解法

(1)

1. 利用正弦定理将边角关系式转化为纯角关系式

在 △ABC\triangle ABC 中,由正弦定理 asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R 可得:
a=2Rsin⁡A,b=2Rsin⁡B,c=2Rsin⁡Ca = 2R\sin A, \quad b = 2R\sin B, \quad c = 2R\sin C
代入已知条件 asin⁡B−3bcos⁡Bcos⁡C=3ccos⁡2Ba\sin B - \sqrt{3}b\cos B\cos C = \sqrt{3}c\cos^{2}B 中,并两边同除以 2R2R 得:
sin⁡Asin⁡B−3sin⁡Bcos⁡Bcos⁡C=3sin⁡Ccos⁡2B\sin A\sin B - \sqrt{3}\sin B\cos B\cos C = \sqrt{3}\sin C\cos^2 B

2. 利用两角和的正弦公式进行化简

将等式右侧移项并提取公因式 3cos⁡B\sqrt{3}\cos B:
sin⁡Asin⁡B=3cos⁡B(sin⁡Bcos⁡C+sin⁡Ccos⁡B)\sin A\sin B = \sqrt{3}\cos B(\sin B\cos C + \sin C\cos B)
利用两角和的正弦公式,由于 sin⁡Bcos⁡C+sin⁡Ccos⁡B=sin⁡(B+C)\sin B\cos C + \sin C\cos B = \sin(B+C),且在 △ABC\triangle ABC 中,sin⁡(B+C)=sin⁡(π−A)=sin⁡A\sin(B+C) = \sin(\pi - A) = \sin A,
所以上式可化简为:
sin⁡Asin⁡B=3cos⁡Bsin⁡A\sin A\sin B = \sqrt{3}\cos B\sin A

3. 求解三角方程求出角 B 的值

因为 A∈(0,π)A \in (0, \pi),所以 sin⁡A≠0\sin A \neq 0,等式两边同除以 sin⁡A\sin A 得:
sin⁡B=3cos⁡B\sin B = \sqrt{3}\cos B
由于 B∈(0,π)B \in (0, \pi),若 cos⁡B=0\cos B = 0 则 sin⁡B=0\sin B = 0,这与 sin⁡2B+cos⁡2B=1\sin^2 B + \cos^2 B = 1 矛盾,故 cos⁡B≠0\cos B \neq 0。
两边同除以 cos⁡B\cos B 得:
tan⁡B=3\tan B = \sqrt{3}
因为 B∈(0,π)B \in (0, \pi),所以 B=π3B = \frac{\pi}{3}。

答案

B=π3B = \frac{\pi}{3}

(2)

1. 若选择条件①:利用面积公式、余弦定理和基本不等式求出 ac 的范围

若选择 ① BD⊥ACBD \perp AC:
在 △ABC\triangle ABC 中,因为 BD⊥ACBD \perp AC,所以面积 S△ABC=12b⋅BD=32bS_{\triangle ABC} = \frac{1}{2} b \cdot BD = \frac{3}{2}b。
根据三角形面积公式又有 S△ABC=12acsin⁡B=34acS_{\triangle ABC} = \frac{1}{2} ac \sin B = \frac{\sqrt{3}}{4}ac。
因此 32b=34ac  ⟹  b=36ac\frac{3}{2}b = \frac{\sqrt{3}}{4}ac \implies b = \frac{\sqrt{3}}{6}ac。
由余弦定理可得 b2=a2+c2−2accos⁡B=a2+c2−acb^2 = a^2 + c^2 - 2ac\cos B = a^2 + c^2 - ac。
代入得:
112a2c2=a2+c2−ac\frac{1}{12}a^2c^2 = a^2 + c^2 - ac
由基本不等式 a2+c2≥2aca^2 + c^2 \ge 2ac 可得:
112a2c2≥2ac−ac=ac\frac{1}{12}a^2c^2 \ge 2ac - ac = ac
由于 ac>0ac > 0,两边同除以 acac 得 ac≥12ac \ge 12,当且仅当 a=c=23a = c = 2\sqrt{3} 时等号成立。

2. 若选择条件②:利用面积拆分和基本不等式求出 ac 的范围

若选择 ② ∠ABD=∠CBD\angle ABD = \angle CBD:
因为 B=π3B = \frac{\pi}{3} 且 BDBD 为 ∠ABC\angle ABC 的角平分线,所以 ∠ABD=∠CBD=π6\angle ABD = \angle CBD = \frac{\pi}{6}。
根据三角形面积的可加性,有 S△ABC=S△ABD+S△CBDS_{\triangle ABC} = S_{\triangle ABD} + S_{\triangle CBD}:
12acsin⁡B=12c⋅BDsin⁡∠ABD+12a⋅BDsin⁡∠CBD\frac{1}{2}ac\sin B = \frac{1}{2}c \cdot BD \sin\angle ABD + \frac{1}{2}a \cdot BD \sin\angle CBD
代入 BD=3BD = 3 得:
34ac=34c+34a  ⟹  3ac=3(a+c)\frac{\sqrt{3}}{4}ac = \frac{3}{4}c + \frac{3}{4}a \implies \sqrt{3}ac = 3(a+c)
由基本不等式 a+c≥2aca+c \ge 2\sqrt{ac} 可得:
3ac=3(a+c)≥6ac\sqrt{3}ac = 3(a+c) \ge 6\sqrt{ac}
由此可解得 ac≥12ac \ge 12,当且仅当 a=c=23a = c = 2\sqrt{3} 时等号成立。

3. 计算三角形面积的最小值

综上,无论选择条件①还是②,均可求得 ac≥12ac \ge 12。
因此,△ABC\triangle ABC 面积的表达式为:
S△ABC=12acsin⁡B=34ac≥34×12=33S_{\triangle ABC} = \frac{1}{2}ac\sin B = \frac{\sqrt{3}}{4}ac \ge \frac{\sqrt{3}}{4} \times 12 = 3\sqrt{3}
所以 △ABC\triangle ABC 面积的最小值为 333\sqrt{3}。

答案

333\sqrt{3}

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