已知等腰直角 $\triangle PQR$ 的三个顶点分别在等腰直角 $\triangle ABC$ 的三条边上,记 $\triangle PQR,\triangle ABC$ 的面积分别为 $S_{\triangle PQR},S_{\triangle ABC}$,则 $\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}$ 的最小值为  \((\qquad)\)
A: $\dfrac12$
B: $\dfrac13$
C: $\dfrac14$
D: $\dfrac15$
【难度】
【出处】
2015年全国高中数学联赛浙江省预赛
【标注】
  • 知识点
    >
    三角
    >
    解三角形
    >
    正弦定理
  • 方法
    >
    思考方式
    >
    数学建模
【答案】
D
【解析】
情形一 当 $\triangle PQR$ 的直角顶点在 $\triangle ABC$ 的斜边上时,如图1所示.
易知 $P,C,Q,R$ 四点共圆,所以$$\angle APR=\angle CQR=180^\circ-\angle BQR,$$故$$\sin\angle APR=\sin\angle BQR.$$在 $\triangle APR,\triangle BQR$ 中分别应用正弦定理得$$\dfrac{PR}{\sin A}=\dfrac{AR}{\sin\angle APR} , \dfrac{QR}{\sin B}=\dfrac{BR}{\sin\angle BQR},$$又因为$$\angle A=\angle B=45^\circ , PR=QR,$$所以 $AR=BR$,即 $R$ 为 $AB$ 中点.
过 $R$ 作 $RH\perp AC$ 于 $H$,则$$PR\geqslant RH=\dfrac12BC,$$所以$$\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}=\dfrac{PR^2}{BC^2}\geqslant\dfrac14,$$此时 $\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}$ 的最小值为 $\dfrac14$.
情形二 当 $\triangle PQR$ 的直角顶点在 $\triangle ABC$ 的直角边上时,如图2所示,
设 $BC=1,CR=x,0\leqslant x\leqslant1,\angle BRQ=\alpha,0<\alpha<\dfrac{\pi}{2}$,则$$\angle CPR=90^\circ-\angle PRC=\angle BRQ=\alpha.$$在 $\mathrm{Rt}\triangle CPR$ 中,$$PR=\dfrac{CR}{\sin \alpha}=\dfrac{x}{\sin\alpha}.$$在 $\triangle BRQ$ 中,$$\begin{split}BR=1-x , RQ=PR=\dfrac{x}{\sin\alpha},\\\angle RQB=\pi-\angle QRB-\angle B=\dfrac34\pi-\alpha,\end{split}$$由正弦定理,$\dfrac{RQ}{\sin B}=\dfrac{RB}{\sin\angle RQB}$ 可化为$$\dfrac{x}{\sin\alpha}=\dfrac{1}{\cos\alpha+2\sin\alpha},$$因此$$S_{\triangle PQR}=\dfrac12PR^2=\dfrac12\left(\dfrac{1}{\cos\alpha+2\sin\alpha}\right)^2,$$从而$$\begin{split}\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}&=\left(\dfrac{1}{\cos\alpha+2\sin\alpha}\right)^2\\&\geqslant\dfrac{1}{(1+2^2)(\cos^2\alpha+\sin^2\alpha)}\\&=\dfrac15,\end{split}$$当且仅当 $\alpha=\arctan2$ 取等号,此时 $\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}$ 的最小值为 $\dfrac15$.
综上知,$\dfrac{S_{\triangle PQR}}{S_{\triangle ABC}}$ 的最小值为 $\dfrac15$.
题目 答案 解析 备注
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