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《廣猛說題系列之路徑專題》(第一集)

 xyz3i 2017-06-01

本文擬以四個板塊展開:路徑之隱圓(?。?;路徑之隱線(段);路徑之“來回”;路徑之“瓜豆”.

          板塊一:路徑之隱圓(?。?/span>

一、由圓的集合定義引出“路徑(或軌跡)”一說

師問:“請同學(xué)們回顧一下,課本中圓是如何定義的?”

蘇科版九年級上冊課本中有這樣一段關(guān)于圓的集合定義:“在同一平面內(nèi),到定點(diǎn)O的距離等于定長r的點(diǎn)的集合,其中定點(diǎn)O叫圓心,定長r叫半徑”,如下圖所示.

其實(shí),課本上這段有關(guān)圓的集合定義就隱含著“路徑(或軌跡)”之說,如上圖所示,到定點(diǎn)O的距離等于定長r的點(diǎn)P的路徑(或軌跡)就是這個⊙O,即所謂路徑(或“軌跡”)就是指符合指定條件的所有點(diǎn)的集合.

《百度百科》上有關(guān)于“軌跡”的如下定義及介紹(學(xué)生了解即可):

符合某一條件的所有的點(diǎn)的集合,叫做符合這個條件的點(diǎn)的軌跡.這里含有兩層意思:一是該圖形是由符合條件的那些點(diǎn)組成的,即圖形上的任何一點(diǎn)都滿足條件(純粹性);二是該圖形包含了符合條件的所有的點(diǎn),即符合條件的任意一點(diǎn)都在圖形上(完備性).

而平面內(nèi)常見的點(diǎn)的軌跡有:

(1)到定點(diǎn)的距離等于定長的點(diǎn)的軌跡,是以定點(diǎn)為圓心,定長為半徑的圓;

(2)到已知線段兩個端點(diǎn)的距離相等的點(diǎn)的軌跡,是這條線段的垂直平分線;

(3)在角的內(nèi)部,到已知角的兩邊距離相等的點(diǎn)的軌跡,是這個角的角平分線;

(4)到定直線L的距離等于定長d的點(diǎn)的軌跡,是平行于這條直線,并且到這條直線的距離等于定長d的兩條直線;

二、路徑之隱圓(?。┑膸追N判斷方法

(一)定義法

圓的集合定義“在同一平面內(nèi),到定點(diǎn)O的距離等于定長r的點(diǎn)的集合,其中定點(diǎn)O叫圓心,定長r叫半徑”,可以作為判斷隱圓(?。┑淖钪匾彩亲罨镜牡谝环N方法,筆者稱之為“定義法”..

例1.如圖1,OA⊥OB,垂足為O,P、Q分別是射線OA、OB上兩個動點(diǎn),點(diǎn)C是線段PQ的中點(diǎn),且PQ=4.則動點(diǎn)C運(yùn)動形成的路徑長是           .

動態(tài)展示如下:

定義法識別及解題技巧:先找一個定點(diǎn),再確定目標(biāo)動點(diǎn)到此定點(diǎn)的距離為定長,據(jù)此可以畫出隱圓(?。?,最后用“臨界點(diǎn)法”找到起點(diǎn)與終點(diǎn),最好再結(jié)合中間的一個“過程點(diǎn)”,以便確認(rèn)究竟是隱圓上的哪一段弧,從而確定路徑(或軌跡),解決問題.

再來看一道例題:    

例2.如圖2,Rt△ABC中,AB⊥BC,AB=6,BC=4,P是△ABC內(nèi)部的一個動點(diǎn),且滿足∠PAB=∠PBC,則線段CP長的最小值為           

簡析:所求線段CP之所以有最小值,是因為點(diǎn)P是一個動點(diǎn),解決問題的關(guān)鍵是尋找到點(diǎn)P的路徑(或軌跡),使“無跡問題”變得“有跡可循”;

由∠PAB=∠PBC易推得∠APB=90°,聯(lián)想到“直角三角形斜邊上的中線等于斜邊的一半”,取斜邊AB的中點(diǎn)O,連接PO,易得OP=1/2AB=3,其中點(diǎn)O為定點(diǎn),點(diǎn)P為動點(diǎn),如圖2-1所示;

依據(jù)前面的“定義法”得知點(diǎn)P始終被“綁在”以點(diǎn)O為圓心,OP=3為半徑的圓上運(yùn)動,再結(jié)合“P是△ABC內(nèi)部的一個動點(diǎn)”可以確定動點(diǎn)P的真正路徑,如圖2-2所示,這樣問題被順利轉(zhuǎn)化為“點(diǎn)圓最值問題”,連接CO與該隱圓(?。┑慕稽c(diǎn)即為所要找的點(diǎn)P,此時CP取最小值為5-3=2,從而問題得解.

值得一提的,“路徑問題”常常會與“最值問題”掛鉤,找到了目標(biāo)動點(diǎn)的路徑(或軌跡),就逮到了“牛尾巴”,問題自然會迎刃而解.

另外,此題雖然∠A是確定角,但其度數(shù)不是特殊角度,因而題目并未要求計算動點(diǎn)P的路徑長!若是將∠A改為特殊角,此題就可以改編為求動點(diǎn)P的路徑長了,所以路徑問題與相關(guān)的最值問題本就是一對“共生體”,求其一就自然可以求其二.

上面的兩道例題都是利用隱圓(?。┙鉀Q的動態(tài)問題,包括路徑長問題及最值問題等,下面筆者再提供利用隱圓(?。┛梢越鉀Q的幾道有趣的“靜態(tài)問題”:

例3.如圖3,四邊形ABCD中,AB∥CD,AC=BC=DC=4,BD=6,則AD=           

值得一提的是,上面的“導(dǎo)角”后全等若是發(fā)現(xiàn)不了,完全可以借助“確定性思想”分析,利用確定角的“三角比”口算出所求AD的長,不再贅述.

解法二(構(gòu)造輔助圓法1之垂徑定理):如圖3-3所示,見到CA=CB=CD,你的第一反應(yīng)是啥?有木有聯(lián)想到“圓中半徑處處相等”?!有木有聯(lián)想到圓的定義,即到定點(diǎn)的距離等于定長的點(diǎn)的集合呢?!數(shù)學(xué)的聯(lián)想機(jī)制極其重要,同學(xué)們要善于聯(lián)想,善于轉(zhuǎn)化,善于總結(jié),善于反思哦!

既然聯(lián)想到了圓,不妨將此輔助圓先構(gòu)造出來,拿出圓規(guī)吧,小伙伴!如圖3-4所示,以C為圓心,CA為半徑作⊙C,則由題易知∠CBD=∠CDB=∠ABD;

同學(xué)們再想一個問題,即“作輔助圓的目的是什么?”筆者認(rèn)為,作輔助圓的最大優(yōu)勢就是可以直接應(yīng)用大家耳熟能詳?shù)母鞣N圓中模型解決問題了,也就是說圓是一個重要的數(shù)學(xué)模型,有了圓這個關(guān)鍵的載體,其豐富的內(nèi)涵價值都可以直接為大家合理所用!接下來可以得到此法最關(guān)鍵的“導(dǎo)角”結(jié)論:由“同弧所對的圓周角處處相等,并等于其所對的圓心角的一半”知∠ABD=1/2∠ACD;

題目要求的是圓中弦AD的長,很自然地就想到了“垂徑定理”,如圖3-5所示,過點(diǎn)C作CG⊥AD于點(diǎn)G,則AD=2AG,只要求AG的長即可;

解題后反思:解法二巧妙聯(lián)想構(gòu)造輔助圓,巧借三角比按比例口算出所求,當(dāng)然導(dǎo)角后也可以像解法一那樣,推導(dǎo)全等求AD的長!當(dāng)一個圖中出現(xiàn)了共頂點(diǎn)的等線段時,尤其是兩條以上的等線段,同學(xué)們就可以聯(lián)想到“圓中半徑處處相等”,巧妙構(gòu)造輔助圓,借助圓這個關(guān)鍵的載體,應(yīng)用圓中的相關(guān)結(jié)論,從而解決問題!

下面筆者再提供幾種構(gòu)造出輔助圓后,利用圓中相關(guān)模型結(jié)論解決該問題的方法,請同學(xué)們自悟,這里僅點(diǎn)到即止!

解題后反思:解法三在構(gòu)造輔助圓的基礎(chǔ)上,巧妙構(gòu)造直角,利用“直徑所對的圓周角為直角”再結(jié)合圓中“角等→弧等→弦等”的有機(jī)轉(zhuǎn)換,輕松搞定問題!

解題后反思:解法四在構(gòu)造輔助圓的基礎(chǔ)上,巧妙構(gòu)造直角,利用“直徑所對的圓周角為直角”再結(jié)合圓中“圓中平行弦所夾的弧、弦相等”,輕松搞定問題!

另外此題中AC=BC=DC,即點(diǎn)C處有等線段,且∠BCD是一個定角,這為“旋轉(zhuǎn)法”提供了天然條件,下面不妨一試,旨在讓同學(xué)們欣賞之即可!

解題后反思:當(dāng)題目中出現(xiàn)共頂點(diǎn)的等線段時,往往可以嘗試旋轉(zhuǎn)法解決問題,夾角確定的相等線段為旋轉(zhuǎn)奠定了天然的條件,通過旋轉(zhuǎn)可以將題目一些零碎的條件集中在一起,從而順利解決問題;

另外,此題中證明“D、C、E三點(diǎn)共線”及“∠DBE=90°”的方法值得同學(xué)們關(guān)注、反思,都是常見的幾何基本圖形及方法;

當(dāng)然也可以在Rt△DAE中直接求出目標(biāo)線段AD的長,其實(shí)四邊形ABED是等腰梯形.

值得一提的是,本題若是將△BCD繞著定點(diǎn)C按順時針方向旋轉(zhuǎn)至△ACE位置,如圖3-12所示,則利用“旋轉(zhuǎn)相似一拖二”可知△DCE≌△BCA,從而有AB=DE,雖然可繼續(xù)推導(dǎo)出如圖3-14所示的梯形ACED,但因為目標(biāo)線段AD并沒有得到什么較好的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致接下來的計算好似依然“無路可走”,或者說難以走下去!這告誡我們,當(dāng)我們利用“旋轉(zhuǎn)法”時,切記不要隨意旋轉(zhuǎn),應(yīng)該選擇與所求直接相關(guān)的旋轉(zhuǎn)方式,即“旋轉(zhuǎn)一拖二”后最好直接與所求發(fā)生聯(lián)系,以便將條件與結(jié)論順利轉(zhuǎn)化集中起來!

再來一道類似的好題:    

例4.如圖4,在△ABC中,AB=AC=5,BC=2,以AC為邊在△ABC外作等邊三角形ACD,連接BD,則BD=            

解題后反思:例4與例3都出現(xiàn)了一種相似的結(jié)構(gòu),即“共頂點(diǎn)三等線段結(jié)構(gòu)”,而且都很好地運(yùn)用了“隱圓”的構(gòu)造法解決了問題,這個結(jié)構(gòu)不妨稱之為“三爪圖”,當(dāng)我們遇到“三爪圖”時,聯(lián)想到“圓的半徑處處相等”,可以考慮構(gòu)造輔助圓,再借用圓這個重要的模型去嘗試解決問題,尤其是用好圓中的一些常見的結(jié)論,如同弧所對的圓周角是其所對的圓心角的一半等基本知識,這也是構(gòu)造圓的最大優(yōu)勢之所在!

下面再提供一道摘自《中小學(xué)數(shù)學(xué)》李玉榮(李帥)發(fā)表的一篇名為《自然解法“無果”,另辟蹊徑“有門”》好文中的例題,并提供李老師的一種巧構(gòu)輔助圓的解法,感謝李玉榮老師!

例5.如圖5,在四邊形ABDE中,∠D=∠E=90°,△ABC是等邊三角形,且點(diǎn)C在DE上,如果AD=7,BE=11,求△ABC的面積.

解題后反思:這是希望杯的一道競賽題,題目設(shè)置精妙,關(guān)鍵是如何利用這里的等邊三角形,有關(guān)此題的解法還有很多,下面筆者也會專門成文一篇專講這一題,敬請期待,屆時帶領(lǐng)大家玩轉(zhuǎn)“等邊三角形”.

上面只選取了一種構(gòu)造輔助圓的方法,來自于聰明的李老師,讓人敬佩不已!這里巧妙地利用對稱性,在點(diǎn)C處構(gòu)造出了第三條與等邊三角形邊長相等的邊CF,從而驚現(xiàn)“三爪圖”,聯(lián)想到輔助圓,再結(jié)合圓周角與圓心角的關(guān)系導(dǎo)角得出∠AFB=1/2∠ACB=30°這個特殊角,然后依托于此特殊角,造“水平—豎直輔助線”出直角三角形,利用勾股定理求解,妙趣橫生,讓人眼前一亮.

解法二:既然可以將點(diǎn)A關(guān)于DC對稱,當(dāng)然也應(yīng)該可以將點(diǎn)B關(guān)于EC對稱,試試便知,以期大家對此法再熟練!如圖5-5所示,具體不再贅述,請同學(xué)們自己參悟.

再提供幾個利用隱形圓解決的方案,權(quán)當(dāng)同學(xué)們欣賞之用:    

解法三:具體構(gòu)圖過程如圖5-6至圖5-8所示,不再詳述.

解法四:具體構(gòu)圖過程如圖5-9至圖5-10所示,不再詳述.

                       下集預(yù)告

關(guān)于這樣一道漂亮的好題目,本文的探究就到此為止,下面會盡快專門成文,敬請期待!

言歸正傳,還是趕緊回到我們的主題上來,即“路徑之隱圓(?。﹩栴}”!前面說了這么多,其實(shí)只說了其判斷方法之一,稱之為定義法,即在同一平面內(nèi),到定點(diǎn)的距離等于定長的點(diǎn)的軌跡.并且我們利用隱形圓解決了動態(tài)問題中的路徑長及最值問題等,還利用隱形圓解決了靜態(tài)求邊長等確定性問題!下面繼續(xù)介紹第二種“路徑之隱圓(?。﹩栴}”判斷方法,即“定邊對直角模型”!

其實(shí)“定邊對直角模型”可以輕易轉(zhuǎn)化為第一種“定義法”,但之所以將其單獨(dú)拎出來,主要鑒于兩點(diǎn)考慮:一是“定邊對直角模型”在中考里或解題中太常見了;二是為第三種判斷方法“定邊對定角模型”作一個鋪墊!

(第一集完?。?/p>

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