動點問題中的最值與定值(八年級數學)

2020-12-15 愛數學做數學

動點問題中的最值與定值(八年級數學)

以八年級數學的知識框架,研究動點問題不存在障礙,當然所謂的動點,目前多利用全等三角形、平行四邊形、軸對稱圖形等特殊圖形,並不涉及到圓。因此關於「最」的定理,一般是「兩點之間線段最短」和「垂線段最短」,而「定」,一般是結合題目條件中的定長,進行等量轉換。

題目

如圖1,四邊形ABCD是菱形,∠ABC=60°,A(0,a),B(b,0),C(c,0),|b+c|+√(a-2√3)=0.

(1)求AB的長;

(2)如圖2,點M在BD上運動,△AMN為等邊三角形.

①求ND的最小值;

②如圖3,當點N在AD的上方時,求點N的橫坐標.

解析:

(1)由於題目中給出的點坐標均含參數,因此先由條件中的等式求這些參數,根據非負數之和為零的結論,得到a=2√3,於是A(0,2√3),然後在Rt△AOB中,這是一個含30°角的特殊直角三角形,求得OB=2,AB=4;

(2)①關於ND的最值

接著上一小題的結果繼續求得B(-2,0),C(2,0),這是一個特殊的菱形,特殊之處在於它的一條對角線可將其分成兩個全等的等邊三角形,恰好△AMN也是一個等邊三角形,因此想到連接AC,屬於典型的「手拉手」模型,如下圖:

由特殊菱形ABCD可知△ACD也是等邊三角形,於是AC=AD,△AMN也是等邊三角形,於是AM=AN,∠CAM+∠MAD=∠DAN+∠MAD=60°,所以∠CAM=∠DAM,可證明△ACM≌△ADN(SAS),所以ND=MC;

那麼MC什麼時候最小呢?

點C是定點,點M在BD邊上,這屬於點到直線的距離,因此用到了「垂線段最短」,即當CM⊥BD時最小,此時M點恰好與菱形對角線交點重合,前面已經證明了△ACD是等邊三角形,AC=4,於是CM=2;

②關於N點橫坐標

通常情況下,研究點的橫坐標,向y軸作垂線,將坐標轉換成線段問題,而△AMN是以點A為旋轉中心,於是繼續構造一對全等三角形,過點N作y軸的垂線段NE,同時連接AC交BD於點F,如下圖:

這裡的關鍵是找齊△AFM與△NEA全等的三個條件,其中有兩個條件非常容易找,就是直角及AM=AN,剩下那個條件在哪裡呢?

注意∠ABC=60°,對於△ABC來講,OA恰好滿足三線合一的條件,即可得∠CAO=30°,於是∠EAF=150°,而夾在中間的∠MAN=60°,因此可得∠EAN+∠FAM=150°-60°=90°,再根據∠EAN+∠ENA=90°,得出∠EAN=∠FAM,至此全等的三個條件全部找齊,得到△AFM≌△NEA(AAS),於是NE=AF=2,所以點N的橫坐標是2.

解題反思

在最後一小題中,求點N的橫坐標,而N本身是個動點,咋一看上去會感覺沒有頭緒,但仔細想想,題目既然求點坐標,那必定是個常數,也就是個定值,動點的橫坐標是定值,就需要往圖形中的定點去引,所以通過構造全等三角形進行轉換,而這個全等三角形其實也是基於前一小題的輔助線,菱形對角線交點的特殊之處也在於構造直角。

有時到了九年級再拿這道題,會有學生求BD解析式,再表示M、N點坐標,盡可一試,但複雜程度不言而喻。能夠從幾何圖形性質的角度去解決問題,還是不要解析了吧!其實把圖中坐標系拿掉,換成兩條互相垂直的直線,再求點到直線的距離,也是一樣的方法。

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