初中階段的代數最值問題,一般利用函數思想求解,而幾何最值問題,則往往比較靈活,具有很強的探索性,解題時需要運用動態思維,難度較大,近幾年來,幾何最值問題在中考中頻繁出現,往往出現在填空壓軸題和解答壓軸題的位置。題目形式新穎,往往讓人無從下手,其中一類與隱圓有關的最值問題,越來越受到青睞,追蹤動點的生成過程,研究其運動軌跡是隱圓解決這類題較為有效的方式。
解題時需要運用動態思維、數形結合、特殊與一般相結合,邏輯推理等思想解決。
根據圓的定義,在解決幾何問題中,只要觀察出幾個點到同一個頂點的距離相等,這裡就常常隱藏一個圓,一般的方法:我們可以以這個定點為圓心,以這個距離為半徑做出這個隱藏的圓,藉助這個隱藏的圓可以幫我們解決問題。因為這個圓沒有畫出來,我們常把這個圓稱為「隱圓」。
與隱圓相關的數學模型:
圖1~圖4是幾種常見的隱圓模型,四個隱圓模型對應的依據分別為:(1)的圓周角所對的弦為直徑;(2)如果四邊形對角互補或者外角等於內對角,那麼四邊形四個頂點共圓;(3)定角對定弦;(4)到定點的距離等於定長的點的集合是圓.
下面由淺至深探究第三類定角對定弦模型的應用特色。
引例:在y正半軸作點P,使得∠APB=∠ACB(尺規作圖.保留作圖痕跡)
【解析】作AC的垂直平分線得到AC的中點O,然後以MA為半徑,M點為圓心作⊙M,則⊙M與y軸的交點即為P點.如圖,∠APB為所作.
應用探究:
1.(2018秋崇川區校級月考)等腰直角△ABC中,∠C=90°,AC=BC=4,D為線段AC上一動點,連接BD,過點C作CH⊥BD於H,連接AH,則AH的最小值為( )
A.2√2 B.2√5﹣2 C.4 D.2√2﹣2
【解析】:∵∠CHB=90°,BC是定值,∴H點是在以BC為直徑的半圓上運動(不包括B點和C點),連接HO,則HO=1/2BC=2.
當A、H、O三點共線時,AH最短,此時AH=AO﹣HO=2﹣2.故選:B.
2.(2014秋江陰市期末)如圖,正方形ABCD中,AB=2,動點E從點A出發向點D運動,同時動點F從點D出發向點C運動,點E、F運動的速度相同,當它們到達各自終點時停止運動,運動過程中線段AF、BE相交於點P,則線段DP的最小值為_______.
【解析】首先判斷出△ABE≌△DAF,即可判斷出∠DAF=∠ABE,再根據∠ABE+∠BEA=90°,可得∠FAD+∠BEA=90°,所以∠APB=90°;然後根據點P在運動中保持∠APB=90°,可得點P的路徑是一段以AB為直徑的弧,設AB的中點為G,連接CG交弧於點P,此時CP的長度最小,最後在Rt△AGD中,根據勾股定理,求出DG的長度DG=√5,如圖:
∵PG=AG=1,∴DP=DG﹣PG=√5﹣1
即線段DP的最小值為√5﹣1,故答案為:√5﹣1.
變式2.(2019春江岸區校級月考)如圖,正方形ABCD中,AB=8,動點E從A出發向D運動,動點F從B出發向A運動,點E、F運動的速度相同.當它們到達各自終點時停止運動,運動過程中線段BE、CF相交於點P,H是線段CD上任意一點,則AH+PH的最小值為( )
A.4√19 B.4√5 C.4√13 D.4√13﹣4
【解析】:如圖,作點A關於直線CD的對稱點A′,連接HA′.
由軸對稱的性質可知:HA=HA′
∴HA+HP=HA′+HP,
∴當HA′+PH最短時,HA+HP的值最小,
∵AE=BF,BA=BC,∠BAE=∠CBF=90°,
∴△BAE≌△CBF(SAS),∴∠ABE=∠BCF,
∵∠ABE+∠CBP=90°,∴∠BCP+∠CBP=90°,∴∠CPB=90°,
∴點P在是以BC為直徑的⊙O上運動(圖中弧BP′,P′是弧BC的中點),
當點P與P′重合時,HA+HP′的值最小,最小值=線段P′A′的長,作P′G⊥AD於G,連接P′A′.
在Rt△P′A′G中,由勾股定理可求得P′A′=4√10,
∴HA+HP的值最小為4√10,故選:A.
變式3.(2018陝西模擬)如圖,正方形ABCD中,AB=2,動點E從點A出發向點D運動,同時動點F從點D出發向點C運動,點E、F運動的速度相同,當它們到達各自終點時停止運動,運動過程中線段AF、BE相交於點P,M是線段BC上任意一點,則MD+MP的最小值為_______.
【解析】:如圖作點D關於BC的對稱點D′,連接PD′,
由軸對稱的性質可知:MD=D′M,CD=CD′=2
∴PM+DM=PM+MD′=PD′
過點P作PE垂直DC,垂足為G,
易證AF⊥BE,故可知P的軌跡為以AB為直徑的四分之一圓弧上,當點E與點D重合,點F與點C重合時,PG和GD′均最短,
∴此時,PD′最短.
∵四邊形ABCD為正方形,
∴PG=1/2AD=1,GC=1/2DC=1..∴GD′=3.
在Rt△PGD′中,由勾股定理得:PD′=√10.
故答案為:√10.
變式4.如圖,等邊三角形ABC中,AB=6,動點E從點B出發向點C運動,同時動點F從點C出發向點A運動,點E、F運動的速度相同,當它們到達各自終點時停止運動,運動過程中線段AE、BF相交於點P,點H是線段BC上的中點,則線段PH的最小值為_______ .
【解析】:∵△ABC是等邊三角形,
∴AB=BC,∠ABE=∠BCF,
易證△ABE≌△BCF,∴∠BAE=∠CBF,
∵∠ABC=∠ABF+∠CBF=60°,
∴∠ABF+∠BAE=60°,∴∠APB=180°﹣60°=120°,
則P在以AB為弦,圓周角為120°的⊙O上,作OM⊥AB於M,連接OP、OH,在優弧AB上取一點K,連接AK、BK.
∵∠AKB+∠APB=180°,∴∠AKB=60°,
∴∠AOB=2∠AKB=120°,
∵OM⊥AB,OA=OB,
拓展應用
1.在平面直角坐標系中,已知A(1,0),B(2015,0),點P是該平面直角坐標系內的一個動點,則使∠APB=30°的點P有( )
A.0個 B.2014個 C.2015個 D.無數個
【解析】:以AB為邊,在第一象限內作等邊三角形ABC,
以點C為圓心,AC為半徑作⊙C,交y軸於點P1、P2.
在優弧AP1B上任取一點P,
則∠APB=1/2∠ACB=1/2×60°=30°.
∴使∠APB=30°的點P有無數個.故選:D.
2.已知A(2,0),B(6,0),CB⊥x軸於點B,連接AC
畫圖操作:(1)在y正半軸上求作點P,使得∠APB=∠ACB(尺規作圖,保留作圖痕跡)
理解應用:(2)在(1)的條件下,
①若tan∠APB=1/2,求點P的坐標;
②當點P的坐標為______ 時,∠APB最大
拓展延伸:(3)若在直線y=4/3x+4上存在點P,使得∠APB最大,求點P的坐標.
【解析】:(1)∠APB如圖所示;
(2)①如圖2中,
∵∠APB=∠ACB,∴tan∠ACB=tan∠APB=1/2=AB/BC,
∵A(2,0),B(6,0),∴AB=4,BC=8,∴C(6,8),
∴AC的中點K(4,4),以K為圓心AK為半徑畫圓,交y軸於P和P′,
易知P(0,2),P′(0,6).
②當⊙K與y軸相切時,∠APB的值最大,
此時AK=PK=4,AC=8,
(3)如圖3中,當經過AB的圓與直線相切時,且點P在x軸的上方時,∠APB最大.
∵直線y=4/3x+4交x軸於M(﹣3,0),交y軸於N(0,4),
∵MP是切線,∴∠MPA=∠MBP,∵∠PMA=∠BMP,
∴△PMA∽△BMP,∴MP/BM=MA/MP,
3.(1)如圖①,在等腰直角三角形ABC中,AB=4,探究在△ABC的邊上及其內部是否存在一點P,使得∠APB=2∠ACB,若存在,請求出△ABP面積的最大值;若不存在,請說明理由;
問題解決:
(2)如圖②,在△ABC中,AB=4,∠ACB=30°,點P是平面內一點,且∠APB=2∠ACB,請在圖中作出滿足條件的所有點P,並求出△ABP面積的最大值;
(3)如圖③,在平面直角坐標系中,點A與原點O重合,B(4,0),點C在y軸的正半軸上,且∠ACB=30°,在坐標平面內是否存在一點P,使得∠CPB=2∠ACB,且△CBP的面積及周長取得最大值?若存在,請求出點P的坐標;若不存在,請說明理由.
【解析】:(1)存在.如圖①中,以AB為直徑作⊙O交BC於K,連接OK,AK.
∵AB是直徑,∴∠AKB=90°,∴AK⊥BC,
∵AC=AB,∠CAB=90°,AB=4,
(2)如圖②中,以AB為邊作等邊△ABD,等邊△ABD′,作△ABD,△ABD′的外接圓.
∵∠APB=2∠ACB=60°,
∴滿足條件的點P或P′在優弧ADB,優弧AD′B上,
當點P與D或點P′與D′重合時,△PAB,△P′AB的面積最大,面積的最大值=√3/4×AB2=4√3.
(3)如圖③中,當點P在直線BC的上方時,以BC為邊,向上作等邊△BCD,作△BCD的外接圓⊙Q,以D為圓心,DC為半徑作⊙D,延長CD交⊙D於F.
由題意滿足條件的點P在優弧CDB上,延長CP交⊙D於T,連接BT.
∵∠CTB=1/2∠CDB=30°,
又∵∠CPB=∠PTB+∠PBT=60°,∴∠PBT=∠PTB=30°,
∴PB=PT,∴PC+PB=PC+PT=CT,
∴當CT是直徑時,即點P與點D重合時,PC+PB的值最大,此時△PBC的周長最大且△PBC的面積最大,
∵B(4,0),∴OB=4,
∵∠BOC=90°,∠BCO=30°,
∴CD=BC=8,OC=4√3,
∵∠DCB=∠CBO=60°,∴CD∥OB,∴P(8,4√3),
根據對稱性可知,當點P在直線BC的下方時,滿足條件的點P的坐標為(﹣4,0),
綜上所述,滿足條件的點P的坐標為(8,4√3)或(﹣4,0).
只要我們仔細觀察,積極思考,以題變而解題思維不變來應對,就能較好的掌握這類題的解法,就能從中不斷提高分析和解決問題的能力。「道是無圓卻有圓」,解決隱圓問題的關鍵在於如何找到那個隱藏的圓。只要「圓」形畢露,那麼答案也可信手拈來。