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几何最值问题进阶与补充

谈志国 数学大思维 2022-07-17

笔者前期撰文《几何最值问题大一统》,较为全面地归纳提炼了几何最值问题的各种类型,得到广大朋友的喜爱,阅读量和转发量都较大。在此对支持和赞赏的各位朋友表示感谢!



除上文所述类型外,几何最值问题还有一些较为复杂难度较大的类型,在此作一归纳补充,供学有余力的同学参考阅读,以使对此类问题的理解更为透彻。

下面是几何最值问题的分类情况:

读者可以看出,上图是按解题的方法策略为线索进行分类,我认为对于题型的分类按方法策略分类优于按知识背景分类。因为知识背景比较杂乱繁多且不能反映问题的本质结构,而方法策略简洁精炼,适用性广,操作性强,能够统率组织不同的知识内容,容易把握和理解问题的本质特征。下面在前文的基础上以实例对“轨迹叠加”类、等值变换类问题中的“旋转”“拼接”类、“轨迹+变换”类问题进行补充。

没有阅读前文的读者请点击参阅:解题|倾心之作:几何最值问题大一统


轨迹叠加

例.如下图,ΔABC中,AB=6,BC=4,在AC一侧作等边三角形ΔACD,求BD的最大值和最小值。

解析:

先确定AB的位置,BC是定长,C是动点,则C点轨迹是以4为半径B为圆心的圆。

再判断D点轨迹:D点由C点绕A点逆时针旋转60度所得,所以D点轨迹也由C点轨迹(即圆B)绕A点逆时针旋转60度所得,画出D点轨迹圆E(圆心E同样由圆心B绕A点逆时针旋转60度所得)。

此时,BD的长转化为定点B到圆E的最短(长)路径,作穿心线BE与圆E相交即得。

本题也可以看成把ΔABC逆时针旋转60度至ΔAED,利用ΔBED的三边关系可得BD的取值范围:2≤BD≤10,最小值为2,最大值为10。


本题的两个动点轨迹是依存关系,需先确定一个动点所在轨迹,再由之确定另一个动点所在轨迹。


等值变换

一、旋转(典型问题:费马点)

例.△ABC中,∠ACB=30º,BC=6,AC=5,在△ABC 内部有一点P,连接PA、PB、PC,求PA+PB+PC的最小值.

解析:

此类问题的基本策略是化分散为连续、化拆线为直线,PA、PB、PC需转化为连续折线。我们运用全等旋转变换把△APC旋转60度至△AP'C',可以实现把分散线段PA+PB+PC转化为连续折线PB+PP'+PC'。


易知三折线共线时最短,便可转化为求线段BC'的长。


二、拼接

例.ΔABC中,∠BAC=45°,AB=3√2,BC=6,D、E是BC、AC上的动点,且BD=CE,求AD+BE的最小值。

解析:

此类问题思考的基本策略不变,仍是需把分散的AD、BE转化成连续折线段,考虑到有BD=CE这一条件,可以把ΔABD和ΔBCE拼接在一起,使AD、BE构成连续折线,再把折线拉直。

思考:能够拉直需具备什么条件?

[连续折线的两端是定点,动点及其所在轨迹位于定点之间。(这是这类问题变换的目标模型)]

如下图,把ΔABD移至ΔBCE处使BD与CE重合即可拼接,转化为定点B到定点F的最小路径问题。


根据两点之间线段最短,当动线段BE、EF共线时,AD+BE最小。


上述两种变换方法目的都是把线段拼接成连续折线,再求两点之间的线段得到最小值。

轨迹&变换

例1.矩形ABCD中,AB=2,AD=3,E、P分别是AD、CD边上的动点,AF⊥BE,求PF的最小值。

解析:

本题中E是动点,F点是动点,需先确定点F的轨迹,显然由定线对定角得F点轨迹是以AB为直径的圆:

折线AP、PE在CD同侧,无法拉直,再把点A进行翻折变换即可转化为点到圆的最短路径:

如下图,把PF、PA'拉直并过圆心得A'F即为最小值:

例2.如图,ΔABC中,∠ACB=45°,AC=8,BC=6√2,D是平面内一点,且CD=4,求0.5AD+BD的最小值。

解析:

由条件易知ΔABC的形状大小一定,D是动点,需先确定D点的运动轨迹,由定点&定长知D点在以C为圆心4为半径的圆上。


再把0.5AD用相似变换进行转化,取CE=1/2CD,由CD:CA=CE:CD判定相似得DE=1/2AD,变为定点B到定点E的最短路径。

如下图,B、D、E共线时,得BE=2√13。

当然,如果上题如果不考虑轨迹圆,只构造相似三角形同样可以根据三边关系得解。建议还是要明确点的轨迹,使问题更清晰,更见整体和全局。


上述问题都是需要先确定动点轨迹,再变换折线位置使之居于动点两侧,以便化折为直得到最短路径。


牛刀小试

1.边长为4的正方形ABCD中,P是内部一点,求PA+PB+PC的最小值。

2.矩形ABCD中,E是AD上的动点,F在BE上且∠BAF=∠AEB,G为BC的中点,在FG右侧作等边ΔFGH,求CH的最小值。

3.矩形ABCD中,AB=2,AD=3,P、Q两点分别从B、D两点出发以相同的速度向A点运动,求CP+BQ的最小值。

4.如图,直角坐标系中,等腰直角三角形ABC中∠C=Rt∠,AB⊥x轴,AB=6,P是y轴正半轴上一动点,在运动过程中保持AP=PO,已知D(-2, 0),求BD+OB的最小值。


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