2026年上海春季高考数学第15题的命题背景:凸几何中的Steiner对称化

上述题目的解答参考链接:上海市 2026 年春季高考数学试题分析上

下面想谈谈本题的命题背景,实际上来自凸几何中的Steiner对称化,这里要感谢网友的提醒以及笔者的研究生同学刘博士的耐心介绍。下面是刘博士的介绍:

Steiner 对称化作为一种保持体积不变且减小表面积的经典变换,它是证明等周不等式、研究凸体几何性质以及理解对称性与极值问题之间内在联系的关键工具。我们参考下面的deepseek给出的内容(不完全保真):

关键性质

1.体积(面积)不变性: 由于在每条垂直线上,我们只是用一条长度相等的线段替换原来的交集,并且垂直线之间是平行的、无重叠,所以根据卡瓦列里原理(祖暅原理),新图形Sz(A)的面积与原图形A的面积相等。

2.对称性: 构造方式直接保证了关于直线L对称。

用斯坦纳对称化的性质去分析选项

这里说的很清楚,保面积不变可以用祖暅原理去证明,至于图像肯定是关于x轴对称的,因为每条线段关于x轴对称,那么首先排除掉D选项。

至于面积相等,我们可以用微积分的技巧计算一下。

只需要考察区域DGHBAID的面积,它是可以如下计算的:

上述计算过程只需要一点点微积分的知识,就可以处理了,不再详解(不会的翻翻高数书)。下面计算A选项图形的面积。

A选项图形是一个梯形,不难发现面积是

因此A选项是吻合的,保证面积不变。至于B和C选项,当然可以用微积分的计算公式去求解面积,但是不需要这样操作,不难看出B选项图形面积比A选项图形来得大,C选项图形面积比A选项图形来得小,这样自然就不可能去选了。

结语

本题具有浓厚的大学凸几何的背景知识,可供阅读思考。