[初中數(shù)學(xué)】超難題002 一道幾何選擇壓軸題(最短路徑綜合題)

作者介紹:
大爽老師牺勾,以前做過高中數(shù)學(xué)線上一對(duì)一輔導(dǎo)老師
現(xiàn)在賦閑在家害捕,與大家分享一些初高中數(shù)學(xué)的知識(shí)雨女,方法與思路。

題目

適用階段:初二下學(xué)期播揪。(學(xué)完勾股定理后)

q2_1.png

\begin{align} & 如圖杠园,在\triangle ABC中顾瞪,\angle A = 60 ^\circ, \angle ABC = 45 ^\circ, AC=4, \\ & 點(diǎn)D, E分別為邊AB, AC上的動(dòng)點(diǎn),且AD=CE抛蚁,\\ & 記m=CD+BE陈醒,S = S_{ \triangle ACD} + S_{\triangle BCE}, \\ & 當(dāng)m取最小值時(shí),S的值為 \_\_\_\_\_\_. \end{align}


解答見下方瞧甩。
本段為分隔符钉跷,無實(shí)際意義。
只是防止直接看到解答影響思路肚逸。
爷辙。

朦促。
膝晾。

务冕。
血当。


臊旭。


0 總分析

類似的超難題目落恼,在我看來,已經(jīng)不是一個(gè)題目了离熏,而是多個(gè)題目的合體领跛。
把這些子問題拆分明白,掌握清楚撤奸,是超難題目的基本功吠昭。

這個(gè)題目其實(shí)分為三大步,
或者說胧瓜,可以拆分為三個(gè)問題矢棚,來依次解決。

1 什么情況下m最小

回顧:最短問題的經(jīng)典題目是府喳,將軍飲馬問題蒲肋。
將軍飲馬問題的核心思想為:
通過做對(duì)稱點(diǎn),把路徑(所有折線)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)點(diǎn)之間的距離钝满。

思路分析推演

在這個(gè)問題中兜粘,m=CD+BE
m的最小值,就是求CDBE兩段折線的和的最小值弯蚜。

這個(gè)時(shí)候孔轴,不能簡(jiǎn)單的直接使用點(diǎn)到直線間垂線段最短, 讓CD \perp AB, BE \perp AC
因?yàn)镈和E是有聯(lián)系碎捺,相互影響的路鹰,即 AD = CE ,
所以 CD \perp AB 時(shí) 不一定有 BE \perp AC

那么這個(gè)時(shí)候怎么做呢。
思考下之前最短路徑的核心解決思想收厨。
要把路徑(所有折線)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)點(diǎn)之間的距離晋柱。
那么首先要把折線連接起來。
把邊CD或者邊BE怎么旋轉(zhuǎn)或變換诵叁,變換后兩端折現(xiàn)可以拼一起雁竞?

而邊的變換往往是通過三角形的變換來完成。
題目中又有AD = CE
那么能想到的是變換\triangle ADC\triangle BCE

變換后拧额,D應(yīng)該和E重合碑诉,然后DA應(yīng)該和CE重合。
不妨變換\triangle BCE势腮,CE和AD重合時(shí)联贩,B有兩個(gè)位置可選,
由于C點(diǎn)已經(jīng)在AB邊的右下這一半?yún)^(qū)域捎拯。
B應(yīng)該選擇AB的另一半?yún)^(qū)域,也就是左上區(qū)域。

那么這個(gè)辦法就出來了

參考答案

q2_2.png

\begin{align} & \because \angle ABC = 45 ^\circ, \angle BAC = 60 ^\circ \\ & \therefore \angle ACB = 180^\circ - 45^\circ - 60^\circ =75 ^\circ \\ & 如圖署照,過點(diǎn)A做\angle BAF = \angle ACB = 75 ^\circ祸泪,AF=BC, 連接FD\\ & \begin{cases} AD=CE, \\ \angle BAF = \angle ACB, \qquad \Rightarrow \triangle ADF \cong \triangle CEB (SAS) \\ AF=BC, \\ \end{cases} \\ & \therefore EB = DF, \\ & m = BE + CD = CD + DF \\ & 由于F點(diǎn)是固定的,所以m此時(shí)為F到C之間的兩端折線的和建芙。 \\ & \because 兩點(diǎn)之間没隘,線段最短。\\ & 連接FC禁荸,m最短即為FC右蒲,此時(shí)D為AB與FC的交點(diǎn)。 \end{align}

2 在1的情況下赶熟,S要怎么求

思路分析推演

因?yàn)橛?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%5Ctriangle%20ADF%20%5Ccong%20%5Ctriangle%20CEB" alt="\triangle ADF \cong \triangle CEB" mathimg="1">
又因?yàn)閙最小時(shí)瑰妄,D在FC上
所以此時(shí)S = S_{ \triangle ACD} + S_{\triangle BCE} =S_{ \triangle ACD} + S_{\triangle ADF} = S_{ \triangle AFC}

三角形面積的根本公式是 S = \frac 1 2 底 \times 高

\triangle AFC 就三個(gè)邊可以作為底,那么就是從這里面選擇一個(gè)底映砖,然后去做底的高來求间坐。

實(shí)際上選擇AC或AF做底,算起來都差不多邑退。
這里不妨選擇以AF為底竹宋,過C做AF上的高。
那么方法就如下

參考答案

q2_3.png

\begin{align} & 如圖地技,做CG \perp AF 交FA延長(zhǎng)線于點(diǎn)G \\ & \angle FAD = \angle BCE = 75 ^\circ \\ & \therefore \angle CAG = 180^\circ - 75^\circ - 60^\circ = 45^\circ \\ & \therefore \triangle CAG 是等腰直角三角形 \\ & \therefore CG = \frac {\sqrt2} {2} AC = \frac {\sqrt2} {2} \times 4 = 2\sqrt2 \\ & S = \frac 1 2 CG \times AF =\sqrt2 AF \end{align}

那么下來的問題就是求AF蜈七。

3 怎么求AF(BC)

思路分析推演

因?yàn)橛?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%5Ctriangle%20ADF%20%5Ccong%20%5Ctriangle%20CEB" alt="\triangle ADF \cong \triangle CEB" mathimg="1">
所以AF=BC,也就是要求BC的長(zhǎng)度莫矗。

BC在\triangle ABC中宪潮,
那么現(xiàn)在來分析下這個(gè)三角形的
知道三個(gè)角的度數(shù),且還有兩個(gè)特殊角度45^\circ60^\circ趣苏,和一個(gè)邊的長(zhǎng)度AC=4
要把特殊角度用起來就要構(gòu)造直角三角形
狡相,也就是過點(diǎn)做高,同時(shí)又要能用到邊AC食磕。

那么這個(gè)時(shí)候的輔助線畫法就是過C做AB邊上的高尽棕。
那么方法就如下

參考答案

q2_4.png

\begin{align} & 如圖,做CH \perp AB 交AB于點(diǎn)H \\ & \because \angle HAC = 60^\circ \\ & \therefore AH = \frac 1 2 AC = 2, HC = \sqrt 3 AH = 2\sqrt3 \\ & \because \angle HBC = 45^\circ \\ & \therefore BC = \sqrt2 CH = \sqrt2 \times 2\sqrt3 = 2 \sqrt6 \end{align}

最終答案

所以AF = BC = 2\sqrt6
最后答案為S = \sqrt2 AF = \sqrt2 \times 2\sqrt6 = 4 \sqrt3

正確答案為4 \sqrt3

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