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. 建立坐标系并用坐标表示三角形面积

以正方形中心 OO 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)A(3, 3), \quad B(-3, 3), \quad C(-3, -3), \quad D(3, -3)
正方形内部的点可设为 P(x,y)P(x, y),其中 −3<x<3,−3<y<3-3 < x < 3, -3 < y < 3。
设正方形边上的点为 Q(xQ,yQ)Q(x_Q, y_Q),则 △OPQ\triangle OPQ 的面积由向量交叉乘积公式可表示为:
S△OPQ=12∣xyQ−yxQ∣S_{\triangle OPQ} = \frac{1}{2} |x y_Q - y x_Q|

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)P(x, y),当点 QQ 在正方形的某条边(如 xQ=3,−3≤yQ≤3x_Q = 3, -3 \le y_Q \le 3)上移动时,表达式 xyQ−3yx y_Q - 3y 是关于 yQy_Q 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 QQ 在正方形四条边上移动时,S△OPQS_{\triangle OPQ} 的最大值必然在四个顶点 A,B,C,DA, B, C, D 之一处取得:

  • 当 Q=A(3,3)Q = A(3, 3) 或 C(−3,−3)C(-3, -3) 时,S=12∣3x−3y∣=32∣x−y∣S = \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=12∣3x−(−3)y∣=32∣x+y∣S = \frac{1}{2} |3x - (-3)y| = \frac{3}{2}|x + y|。

故无论 QQ 如何选取,面积的最大值为:
max⁡QS△OPQ=32max⁡(∣x−y∣,∣x+y∣)\max_{Q} S_{\triangle OPQ} = \frac{3}{2} \max(|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 QQ 如何选取都无法满足 S△OPQ≥3S_{\triangle OPQ} \ge 3”,即表示对所有的 QQ,都有 S△OPQ<3S_{\triangle OPQ} < 3,亦即:
max⁡QS△OPQ<3\max_{Q} S_{\triangle OPQ} < 3
代入最大值表达式,得:
32max⁡(∣x−y∣,∣x+y∣)<3  ⟺  max⁡(∣x−y∣,∣x+y∣)<2\frac{3}{2} \max(|x - y|, |x + y|) < 3 \iff \max(|x - y|, |x + y|) < 2
这等价于联立不等式组:
{∣x−y∣<2∣x+y∣<2\begin{cases} |x - y| < 2 \\ |x + y| < 2 \end{cases}
该区域在平面直角坐标系中是由直线 x−y=±2x - y = \pm 2 与 x+y=±2x + y = \pm 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)(2, 0)、(0,2)(0, 2)、(−2,0)(-2, 0)、(0,−2)(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)=42 - (-2) = 4。
因此,该特定区域的面积为:
S=12×4×4=8S = \frac{1}{2} \times 4 \times 4 = 8

对应选项 C。

答案

C

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