我們知道將幾何圖形按照某種法則或規(guī)則變換成另一種幾何圖形的過程叫做幾何變換.平面幾何中的幾何變換主要有合同變換、相似變換、等積變換以及反演變換.在一個幾何變換下,如果任意兩點之間的距離等于變化后的兩點之間的距離,則稱之為合同變換.合同變換只改變圖形的相對位置,不改變其形狀和大小.合同變換有三種基本類型:平移變換,軸反射變換,旋轉(zhuǎn)變換。
而對于某些平面幾何問題,由于圖形中的幾何性質(zhì)比較隱晦,條件分散,題設(shè)與結(jié)論間的某些元素的相互關(guān)系在所給的圖形中不易發(fā)現(xiàn),使之難以思考而感到束手無策.如果我們能對圖形作各種恰當?shù)淖儞Q,把原圖形或原圖形中的一部分從原來的位置變換到另一個位置,或作某種變化,往往能使圖形的幾何性質(zhì)明白顯現(xiàn),分散的條件得到匯聚,就能使題設(shè)和結(jié)論中的元素由分散變?yōu)榧?,相互間的關(guān)系變得清楚明了,從而能將求解問題靈活轉(zhuǎn)化,變難為易.我們把這種恰當?shù)剡M行圖形變換來求解平面幾何問題的方法稱為幾何變換法.下面主要針對平移法求解兩類幾何最值問題,通過例題分析談一下看法。
我們先看一下利用這一方法起源吧,它源于于經(jīng)典幾何最值模型---將軍飲馬問題的變換形式。
將軍飲馬模型:早在古羅馬時代,傳說亞歷山大城有一位精通數(shù)學和物理的學者,名叫海倫.一天,一位羅馬將軍專程去拜訪他,向他請教一個百思不得其解的問題.
將軍每天從軍營A出發(fā),先到河邊飲馬,然后再去河岸同側(cè)的軍營B開會,應(yīng)該怎樣走才能使路程最短?這個問題的答案并不難,據(jù)說海倫略加思索就解決了它.而從此以后,這個被稱為'將軍飲馬'的問題便流傳至今.
我們把俯視圖視角的問題抽象化,數(shù)學化,將河流看作一條直線l,軍營看作一個點,轉(zhuǎn)化為一個路程之和的最短問題.即如下圖:直線同側(cè)有兩點A,B,在直線上選取一點C,使得AC+BC最短.
在思考這個問題之前,我們先來回憶下初一上學期中,涉及線段最短的兩個重要結(jié)論:兩點之間,線段最短.垂線段最短.請各位同學務(wù)必記住,初中階段的幾何最值問題,最后幾乎都可以轉(zhuǎn)化為通過這兩個結(jié)論來求得.
下面我們通過對將軍飲馬模型兩個變形應(yīng)用,就可體會到平移思想帶來解題魅力.【變式1】若將軍從軍營A出發(fā)去河邊飲馬,之后牽馬在河岸散步200米,再騎回軍營B,問從河邊何處開始散步,可使整個行程最短?
我們繼續(xù)把這個問題轉(zhuǎn)化為熟悉的數(shù)學問題,把軍營A與軍營B看作2個定點,把河看作一條直線.問題即轉(zhuǎn)化為,如下圖:在直線l上找兩個點C,D,使得AC+BD最短.
本題若作點A關(guān)于l的對稱點A',連接A'C和BD,會出現(xiàn)兩線段不共線的問題,怎么辦?我們能不能把BD進行相應(yīng)的平移,使得與A'C共線?完全可以,把BD沿著DC方向向左平移200米,問題即迎刃而解.
或者我們可以這么想象,把河邊散步的200米,挪至回到軍營B前,沿著與河平行的方向向右散步200米,問題也可解決.
如圖,作點A關(guān)于l的對稱點A',將點B向左平移CD的長度到點B'(實際為200米),連接A' B',交直線l于點C,將點C向右平移CD的長度到點D,點C,點D即為所求.
【變式2】將軍每日需騎馬從軍營出發(fā),去河岸對側(cè)的瞭望臺觀察敵情,已知河流的寬度為30米,請問,在何地修浮橋,可使得將軍每日的行程最短?圖中灰紫色部分即為長30米的浮橋.
我們還是把這個問題轉(zhuǎn)化為熟悉的數(shù)學問題,把軍營與瞭望臺看作間隔30米的2條直線外側(cè)的定點.問題即轉(zhuǎn)化為,如下圖:在直線l1上找一個點C,直線l2上找一個點D,使得AC+BD+CD最短.
由于CD長度確定,則題目轉(zhuǎn)化為求AC+BD最短,考慮在河的兩側(cè),要使線段之和最短,則2條線段在同一直線上時即可.但這里并不共線,因此繼續(xù)考慮平移.
我們可以想成從軍營出發(fā)先'渡河',即沿CD方向行30米至點A',再考慮'兩點之間,線段最短'.
如圖,將點A沿CD方向,平移CD長度(實際30米)至點A',連接A'B,交l2于點D,過點作DC⊥l2于點C,連接AC.則橋CD即為所求.
此時AC= A'D,而A'D+DB=A'B,最短.
我們初步可以體會到這兩個變式問題都涉沿河邊散步的問題,有造橋選址問題的求解,共同之處但無外乎涉及到一個'平移'的思想方法,結(jié)合'兩點之間,線段最短'解決,另外,有時還需考慮'垂線段最短',下面我們深入探究平移思想在將軍飲馬模型問題應(yīng)用吧,我們更能體會到平移帶來轉(zhuǎn)化能力的威力。
類型1 一動兩定型
1.如圖,已知P(3,2),B(﹣2,0),點Q從P點出發(fā),先移動到y(tǒng)軸上的點M處,再沿垂直于y軸的方向向左移動1個單位至點N處,最后移動到點B處停止,當點Q移動的路徑最短時(即三條線段PM、MN、NB長度之和最?。cM的坐標為( )
變式1.如圖,在平面直角坐標系xOy中,點A(﹣2,0),B(0,1),C(0,4),將線段AB向右平移,則在平移過程中,AC+BC的最小值是 ______.
2.已知,在河的兩岸有A,B兩個村莊,河寬為4千米,A、B兩村莊的直線距離AB=10千米,A、B兩村莊到河岸的距離分別為1千米、3千米,計劃在河上修建一座橋MN垂直于兩岸,M點為靠近A村莊的河岸上一點,則AM+BN的最小值為( )
A.2√13B.1+3√5C.3+√37D.√85
【解答】本題考查了軸對稱,最短路徑問題,要利用'兩點之間線段最短',但許多實際問題沒這么簡單,需要我們將一些線段進行轉(zhuǎn)化,即用與它相等的線段替代,從而轉(zhuǎn)化成兩點之間線段最短的問題.目前,往往利用對稱性、平行四邊形的相關(guān)知識進行轉(zhuǎn)化.
如圖,作BB'垂直于河岸,使BB′等于河寬,連接AB′,與靠近A的河岸相交于M,作MN垂直于另一條河岸,則MN∥BB′且MN=BB′,于是MNBB′為平行四邊形,故MB′=BN.
變式3,點B到直線b的距離為2,AB=3√11.試在直線a上找一點M,在直線b上找一點N,滿足MN⊥a,當AM+MN+NB的值最小時,則AM+NB=______ .
類型2 兩動兩定型
3.如圖,在矩形ABCD中,BC=3,AB=4,點E為邊AB的中點,若點M,N為邊BC上的兩動點,MN=2,求四邊形DEMN周長的最小值.
變式4.如圖,在平面直角坐標系中,矩形ABCD的頂點B在原點,點A、C在坐標軸上,點D的坐標為(6,4),E為CD的中點,點P、Q為BC邊上兩個動點,且PQ=2,要使四邊形APQE的周長最小,則點P的坐標應(yīng)為( )
變式5.如圖,O為矩形ABCD對角線AC,BD的交點,AB=9,AD=18,M,N是直線BC上的動點,且MN=3,則OM+ON最小值=______ .
【解析】如圖所示,作點O關(guān)于BC的對稱點P,連接PM,將MP沿著MN的方向平移MN長的距離,得到NQ,連接PQ,則四邊形MNQP是平行四邊形,∴MN=PQ=3,PM=NQ=MO,∴OM+ON=QN+ON,
當O,N,Q在同一直線上時,OM+ON的最小值等于OQ長,
連接PO,交BC于E,由軸對稱的性質(zhì),可得BC垂直平分OP,
又∵矩形ABCD中,OB=OC,∴E是BC的中點,∴OE是△ABC的中位線,
∴OE=1/2AB=4.5,∴OP=2×4.5=9,
又∵PQ∥MN,∴PQ⊥OP,∴Rt△OPQ中,由勾股定理可求得OQ=3√10,
∴OM+ON的最小值是3√10,故答案為:3√10.
變式6.正方形ABCD,AB=4,E是CD中點,BF=3CF,點M,N為線段BD上的動點,MN=√2,求四邊形EMNF周長的最小值 ______.
【解析】:作點E關(guān)于BD的對稱點G,則點G在AD上,連接GM,過G作BD的平行線,截取GH=MN=√2,連接HN,則四邊形GHNM是平行四邊形,∴HN=GM=EM,過H作PQ⊥BC,交AD于P,交BC于Q,則∠HPG=∠HQF=90°,PQ=AB=4,
最后如用口訣來濃縮總結(jié)這類問題求解策略,那就是:造橋散步怎么辦,想到平移就不難。若問萬般適用法,兩點線段垂最短.