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归一方见本质

谈志国 数学大思维 2022-07-17

师者首在传道,那么道在何处?

老子说:道生一,一生二,二生三,三生万物。

可见道在万物之中,我们只能从万物的现象之中感悟道,这是一种逆向追溯的过程。

老子又说:为学日益,为道日损。

可知求道是做减法,繁华落尽,去伪存真,万物归为一合于道,这是一个舍而后得的过程。

学习者在“为学”的同时不要忘了“为道”,为学是手段,为道是目的。为道不为学,便如盲人摸大象,越学越糊涂,为道不为学,亦是空中建楼阁,无有着力处。

如何求道呢?君子务本,本立而道生。比如生物体的外在性状千差万别难以尽知,而决定它的是细胞的基因结构,若能破解基因密码,则生物界的一切问题便可迎刃而解。

数学的核心是抽象概括和逻辑推理,培养和训练这两种能力是数学学习的根本。我们无论在知识教学还是解题训练中,都要寻找规律追溯源头,归一以求其本。


知识寻根

例1.AB=m,AC=n(m>n),则BC的最大值是     ,最小值是     .

(1)用三角形三边关系得:m-n≤BC≤m+n(三边共线时取等号),所以最大值为m+n,最小值为m-n。

(2)用点到圆的路径关系得:C在圆A上,当直线BC过圆心时,BC分别为最大值m+n,最小值m-n。

若追问:“以上结论的依据是什么?”很可能不少学生回答不了!

而以上两种结论的源头是最简单的基本事实:“两点之间,线段最短。”

图中,在B、C两点之间,有BC≤m+n;在A、B两点之间,有m≤BC+n。


方法归一

例2.如图,PM=1,BM=2,∠BPC=90°,PB=PC,求CM的最小值。

由例1,我们可以有两种思路:(1)把CM置于有两条定长边的三角形中;(2)M看成定点,确定动点C的轨迹。

那么如何构造模型呢?这里利用等腰直角三角形为媒介,通过旋转缩放把已知和未知建立联系。如下图,构造等腰直角三角形BMN,得△CBN∽△PBM,相似比为√2:

△CMN中,MN=2,CN=√2,CM最小值为2-√2。

这里M、N为定点,CN为定长,同时可以看成C的轨迹是圆N,转化为求点M到圆N的最短路径:

上述构造为什么可以一箭双雕?因为这两种方式同根同源,都可以归结为点到点的最短路径。

构造方法还有以下五种:

以上都用同一种构造方式:旋转缩放(一转成双),达到了同一种效果:出现含两条定长边的三角形。

所以这种方法的本质是:通过相似(全等)变换使条件集中到同一个三角形中。

条件情境是:有一个确定形状的三角形(等腰直角三角形BCP),有一个点到该三角形其中两点距离一定(点M)。

由此推广:等腰直角三角形可以变为其它任意确定形状的三角形,解法不变。


变换转化

例3.如图,AB=4,M是AB的中点,PM=1,∠BPC=90°,PB=PC,求AC的最小值。

如下图,构造等腰直角三角形BMF,同样出现△ACF中有两边长度确定,或看成C在⊙F上,易求AC的最小值为AF-CF=√2.

下图的构造可以解决问题吗?

貌似构造方式与前面相同,但以此图无法完成。

其实本题与例2条件情境不同,点A与点M的角色是不一样的,点M满足它到等腰直角三角形BCP的B、C两点距离一定,而点A到点C的距离不确定。

前提变了,方法当然不能套用了!

我们可以通过构造把问题转化成与例2同样的问题,如下图,倍长BP,构造等腰直角三角形BCE,这样有:AE=2,AB=4,点A到等腰直角三角形BCE的其中两点距离一定。

此图中,P、M就可以删除了,这样与例2的图形结构及条件情境完全相同,同样产生六种构图方式:

上面的做法可以从中点的角度思考:把△BPM以B为中心缩放,构造“A形”相似,即可把定长线段PM放大2倍,得到以下与例2同样的模型:

简化:

我们用类比或对称的思维思考:把△ABC以B为中心缩放,构造“A形”相似,即可把所求线段AC缩小一半,也可以得到以下与例2同样的模型:

简化(转化为求ME的最小值):

同样可以有六种构造方式,不再赘述。


一以贯之

例4.如图,正方形BEFG的顶点F在正方形ABCD的边CD上,AB=4,求AF的最小值。

我们可以把图形简化:

与例2比较,这里仍有一个形状确定大小不确定的等腰直角三角形BEF,点A到B距离一定,到另一点E所在直线的距离一定(不同点)。这里的不同之处从轨迹角度看,例2是点到点的距离为定值,此题是点到线的距离一定,用主从联动规律判断,一个轨迹是圆,一个轨迹是线。解决方法仍是类似的:构造一转成双模型。

构造等腰直角三角形BDP,可证△BPF∽△BDE,得∠BPE=∠BDE=45°,所以点F的运动路径在射线PF上,当AF⊥PF时最小为6√2。

还可以用下列构造方法:

下图的构造为什么不行呢?

虽然此图结构看上去与前面相似,实质上违背了一个要点:E点在CD上,所以F点轨迹与CD相关,应把CD上某一定点绕点B顺时针旋转45度构造等腰直角三角形。只要取一个CD上确定的点都可以达到目的,如下图,取CD中点O,构造等腰直角三角形BOP,亦可得∠BPF是定角,证明F点在直线上。


本文所涉“主从联动”和“一转成双”模型请参阅文章:

探本求源-秒解旋转缩放型的动点路径问题

相似变换之一转成双


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