\begin{Example}
(2010年广东)设A(x1,y1),B(x2,y2)是平面直角坐标系xOy上的两点,现定义由点A到点B的一种折线距离ρ(A,B)为ρ(A,B)=|x2−x1|+|y2−y1|.对于平面xOy上给定的不同的两点A(x1,y1),B(x2,y2).
\begin{enumerate}
\item[(I)] 若点C(x,y)是平面xOy上的点,试证明: ρ(A,C)+ρ(C,B)⩾ρ(A,B);
\item[(II)] 在平面xOy上是否存在点C(x,y)同时满足
\ding{172} ρ(A,C)+ρ(C,B)≥ρ(A,B); \qquad \ding{173} ρ(A,C)=ρ(C,B).
若存在,请求出所有符合条件的点;若不存在,请予以证明.
\end{enumerate}
\end{Example}
\begin{proof}
(I)证明:因为ρ(A,C)=|x−x1|+|y−y1|, ρ(C,B)=|x2−x|+|y2−y|, ρ(A,B)=|x2−x1|+|y2−y1|,所以
ρ(A,C)+ρ(C,B)=|x−x1|+|y−y1|+|x2−x|+|y2−y|=(|x−x1|+|x2−x|)+(|y−y1|+|y2−y|)⩾|(x−x1)+(x2−x)|+|(y−y1)+(y2−y)|=|x2−x1|+|y2−y1|=ρ(A,B).
(II)解:注意到点A(x1,y1)与点B(x2,y2)不同,下面分三种情形讨论.
(i)若x1=x2,则y1≠y2,由条件\ding{173}得
|x−x1|+|y−y1|=|x2−x|+|y2−y|,
即|y−y1|=|y2−y|,所以y=y1+y22.
由条件\ding{172}得
|x−x1|+|y−y1|+|x2−x|+|y2−y|=|x2−x1|+|y2−y1|.
所以
2|x−x1|+12|y2−y1|+12|y2−y1|=|y2−y1|,
所以|x−x1|=0,所以x=x1.
因此,所求的点C为(x1,y1+y22).
(ii)若y1=y2,则x1≠x2,类似于(i),可得符合条件的点C为(x1+x22,y1).
(iii)当x1≠x2且y1≠y2时,不妨设x1<x2.
(1)若y1<y2,则由(I)中的证明知,要使条件\ding{172}成立,当且仅当(x−x1)(x2−x)⩾0与(y−y1)(y2−y)⩾0同时成立,故x1⩽x⩽x2且y1⩽y⩽y2.
从而由条件\ding{173},得x+y=12(x1+x2+y1+y2).
此时所求点C的全体为
M={(x,y)∣∣∣x+y=12(x1+x2+y1+y2),x1⩽x⩽x2且y1⩽y⩽y2}.
(2)若y1>y2,类似地由条件\ding{172}可得x1⩽x⩽x2且y2⩽y⩽y1.
从而由条件\ding{173}得x−y=12(x1+x2−y1−y2).
此时所求点的全体为
N={(x,y)∣∣∣x−y=12(x1+x2−y1−y2),x1⩽x⩽x2且y2⩽y⩽y1}.
\end{proof}
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