1. 建立坐标系并用坐标表示三角形面积
以正方形中心 O 为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,所以四个顶点的坐标分别为:
A(3,3),B(−3,3),C(−3,−3),D(3,−3)
正方形内部的点可设为 P(x,y),其中 −3<x<3,−3<y<3。
设正方形边上的点为 Q(xQ,yQ),则 △OPQ 的面积由向量交叉乘积公式可表示为:
S△OPQ=21∣xyQ−yxQ∣
2. 确定当 $Q$ 在边上变动时面积最大值的取得位置
对于固定的点 P(x,y),当点 Q 在正方形的某条边(如 xQ=3,−3≤yQ≤3)上移动时,表达式 xyQ−3y 是关于 yQ 的一次函数。
一次函数的绝对值在闭区间上的最大值必然在区间的端点(即正方形的顶点)处取得。
因此,当 Q 在正方形四条边上移动时,S△OPQ 的最大值必然在四个顶点 A,B,C,D 之一处取得:
- 当 Q=A(3,3) 或 C(−3,−3) 时,S=21∣3x−3y∣=23∣x−y∣;
- 当 Q=B(−3,3) 或 D(3,−3) 时,S=21∣3x−(−3)y∣=23∣x+y∣。
故无论 Q 如何选取,面积的最大值为:
maxQS△OPQ=23max(∣x−y∣,∣x+y∣)
3. 列出特定区域满足的不等式并求其面积
依题意,“无论 Q 如何选取都无法满足 S△OPQ≥3”,即表示对所有的 Q,都有 S△OPQ<3,亦即:
maxQS△OPQ<3
代入最大值表达式,得:
23max(∣x−y∣,∣x+y∣)<3⟺max(∣x−y∣,∣x+y∣)<2
这等价于联立不等式组:
{∣x−y∣<2∣x+y∣<2
该区域在平面直角坐标系中是由直线 x−y=±2 与 x+y=±2 所围成的正方形(呈菱形放置),其四个顶点坐标分别为 (2,0)、(0,2)、(−2,0)、(0,−2)。
该菱形的对角线分别沿两坐标轴,对角线长度均为 2−(−2)=4。
因此,该特定区域的面积为:
S=21×4×4=8
对应选项 C。