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例談兩點之間線段最短

2012-12-31 00:00:00豐志勝
考試周刊 2012年47期


  在數(shù)學(xué)問題中,有一類問題是求距離最短或周長最小的問題,許多同學(xué)望而生畏、一籌莫展.實際上,解此類問題的關(guān)鍵是將問題轉(zhuǎn)化為平面上兩點之間線段最短的問題來解決,下面舉例說明.
  例1:如圖1,要在河邊(直線l)修建一個水泵站,分別向A村、B村送水,問修在河邊什么地方可使所用的水管最短?
  解析:如圖2,作出點A關(guān)于河邊所在直線的對稱點A′,連接A′B交直線l于點P,此時點P到點A點A′距離相等,根據(jù)兩點之間線段最短可知A′B最短,所以PA+PB有最小值,即水泵站應(yīng)建在P處,才能使水泵站到A村B村距離之和最小.
  將直線同側(cè)兩點轉(zhuǎn)化到異側(cè),構(gòu)造出兩點之間的線段,這對于以下幾題都具有直接的思想指導(dǎo)作用.
  例2:如圖3,⊙O的半徑為2,點A、B、C在⊙O上,OA⊥OB,∠AOC=60°,P是OB上的一動點,求PA+PC的最小值.
  解析:如圖3,延長AO交⊙O于D,則A、D關(guān)于OB所在直線對稱,連接CD交OB于P,此時,由例1可知PA+PC最小.因為∠AOC=60°,所以∠COD=120°,作OE⊥CD,由垂徑定理可求出CD=2,即PA+PC的最小值為2.
  歸納:在圓內(nèi),利用圓的軸對稱性質(zhì)尋找對稱點快捷獨特,具有典型性.
  例3:如圖4,∠AOB=45°,P是∠AOB內(nèi)一點,PO=10,Q,R分別是OA,OB上的動點,求△PQR周長的最小值.
  解析:如圖5,分別作P點關(guān)于OB,OA的對稱點P,P,連接PP交OB、OA于點R、Q,則PR=PR, PQ=PQ,△PQR的周長就等于PP的長,此時周長最小.連接OP,OP,則OP=OP=OP=10,∠POP=2∠AOB=90°,所以可求得PP=10,即△PQR周長的最小值為10.
  歸納:本題作點P關(guān)于角的兩邊的對稱點,將三角形的周長轉(zhuǎn)化為線段的長,同時利用對稱的性質(zhì)構(gòu)造等腰直角三角形,構(gòu)思巧妙.
  例4:如圖6,四邊形ABCD是正方形,△ABE是等邊三角形,M為對角線BD(不含B點)上任意一點,將BM繞點B逆時針旋轉(zhuǎn)60°得到BN,連接EN,AM,CM.
 ?。?)當(dāng)M點在何處時,AM+CM的值最???
3OPUSTKigNV8Z6F6wmm5Dg==  (2)當(dāng)M點在何處時,AM+BM+CM的值最?。?br/>  解析:如圖7:(1)顯然M點在BD的中點時,A、M、C三點在同一條直線上,AM+CM的值最小.
  (2)由題意可知,連接CE交BD于M點,在CE上取N點使∠MBN=60°,可證△ABM≌△EBN,得EN=AM;△BMN為等邊三角形,得BN=BM=MN,可得AM+BM+CM=CE,此時AM+BM+CM的值最小.
  歸納:本題利用旋轉(zhuǎn)作為內(nèi)在的變換,將(2)中的三條線段構(gòu)造為一條線段,從而形成兩點之間線段最短解題.
  例5(2010天津):在平面直角坐標(biāo)系中,矩形OABC的頂點O在坐標(biāo)原點,頂點A、B分別在x軸、y軸的正半軸,OA=3,OB=4,D為邊OB的中點.
 ?。?)若E為邊OA上的一個動點,當(dāng)△CDE的周長最小時,求點E的坐標(biāo).
  (2)若E、F為OA上的兩個動點,且EF=2,當(dāng)四邊形CDEF的周長最小時,求點E、F的坐標(biāo).
  解析:(1)如圖8,作D點關(guān)于x軸的對稱點Q,連接CQ交x軸于E,由例1可知:此時△CDE的周長最小.CQ的解析式為:y=2x-2,可求得E(1,0).
 ?。?)如圖9,作D點關(guān)于x軸的對稱點Q,在線段BC上取點M,使CM=EF=2,連接QM,交x軸于E點,過C點作QM的平行線交x軸于F點,可知四邊形EFCM為平行四邊形,ME=CF,在四邊形CDEF中,邊CD、EF為定值,此時QE+ME=DE+CF最小,所以四邊形CDEF的周長最小.MQ的解析式為y=6x-2,可求得E(,0),F(xiàn)(,0).
  歸納:本題坐標(biāo)系中的對稱性確定對稱點,特別是第二問中構(gòu)造平行四邊形,利用平行四邊形的對邊相等性質(zhì)來尋找E、F兩點的位置,立意巧妙.
  以上問題都是在平面圖形中的兩點之間線段最短問題,另外還有一些討論立體圖形中兩點之間線段最短問題,以下列舉兩例做簡要分析.
  例6:如圖10,一長方體的長、寬、高分別為4、3、5,一只螞蟻要從A點沿表面爬到C點尋找食物,則螞蟻爬行的最短路徑為?搖?搖 ?搖?搖.
  解析:我們要把立體圖形展開為平面圖形,轉(zhuǎn)化為兩點之間線段最短的問題.但是,該長方體的長寬高不等,則有以下三種展開方式:
  經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)最小值為.
  歸納:長方體的長寬高分別為:a、b、c,則異面兩頂點之間的距離根據(jù)不同的展開圖為:,,,然后經(jīng)比較確定最小值.
  例7:如圖11,一個圓錐形的糧堆,母線長4米,底面圓半徑為1米,一只老鼠在底面圓上的某點A處,該老鼠要繞糧堆爬一周回到原處的最短路程是?搖?搖 ?搖?搖.
  解析:如圖11,沿圓錐的母線OA將圓錐的側(cè)面展開,得扇形OAA′,則最短路徑為線段AA′,可求得扇形圓心角的度數(shù)為90°,在直角△OAA′中,AA′=4米,即老鼠爬行一周的最短路程為4米.
  數(shù)學(xué)的教學(xué)與學(xué)習(xí)要注重知識的歸納、歸類,從而尋找特定的方法來解決問題,思路明確,具有一定的針對性、代表性.以上幾例是我在教學(xué)過程中選舉的一些典例加以說

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