突破慣性思維的桎梏,用平移解決線段和最值

2020-12-14 愛數學做數學

線段和最短問題源自於八年級的課題學習《最短路徑》,通常情況下,我們是將線段和轉換成一條線段,然後尋求其最值,在這個過程中,轉換方法有平移法、旋轉法、軸對稱法等,求最值時可利用勾股定理等構造二次函數求解,可以說,這類問題綜合了代數和幾何中的常見數學思想,對鍛鍊學生思維有極大的幫助。

在解決此類問題時,由於方法多樣,所以試錯不可避免,每個人都有其習慣思維,先用什麼方法再用什麼方法嘗試均不相同,但是,嘗試結果是否成功如何判斷?新的方法如何引出來?這些問題的高效解決,是解題成功的必經之路,下面以一道數學習題為例:

題目

如圖,矩形ABCD中,AD=2,AB=4,AC為對角線,E、F分別為邊AB、CD上的動點,且EF⊥AC於點M,連接AF、CE,求AF+CE的最小值。

思路分析:

首先明確大體方向,即將AF和CE通過轉換,構成一條線段,然後再尋找它的最小值,下面開始嘗試:

軸對稱相信是條件反射般的第一選擇,畢竟在將軍飲馬問題中,它給我們的印象實在太深,如圖一:

看著這兩種輔助線作法,達到目的了嗎?無論是將CE轉換成C'E還是將AF轉換成A'F,都未能將這兩條「分離」的線段拼成一條。

接下來的嘗試則是由圖中的直角聯想的勾股定理,仔細研究這兩個動點,其實可以看成只有一個動點,即AC上的點M,於是似乎找到了根源,把AM設為x,將AF和CE分別用含x的代數式表示,然後列成二次函數,豈不是能解決掉它?如圖二:

又陷入死胡同了,如此複雜的根式,又無法列成二次函數表達式。

然後嘗試平移法,將兩條線段「接」到一起,如圖三:

過點E作AF平行線,過點A作EF平行線,兩條線交於點N,於是構造出了一個平行四邊形ANEF,將AF轉換到了NE,於是我們可觀察NE與CE之和,連接CN,則線段和最短應為CN的長,剩下問題則是如何求CN的長度。

在研究動點M如何運動時,我們發現,線段EF始終保持與AC垂直,而矩形長寬又是定值,所以EF長度也是定值,同時由於前面第二次嘗試中相似三角形的證明,還能知道EF與AB夾角為定值,於是我們在第三次嘗試中可直接應用上述結論,即平行四邊形ANEF中,AN其實是一條不動的邊,因為它與EF平行且相等,點A不動,因此它不動,那麼點N自然也不會動,這樣,動點問題中的最值一下子轉換成了求固定線段CN的長度,在明確了CN是定線段之後,剩下的任務便輕鬆了許多。

觀察新得到的Rt△ACN,兩條直角邊均可求,分別是√5和2√5,所以由勾股定理求得CN=5,即AF+CE最小值為5.

反思:

慣性思維的確在某種程度上是制約解題的因素,雖然有時它也會快速幫我們找到思路,但往往只在平時變式訓練中作用較大,等到中考,各類知識綜合起來,再依賴慣性,負面作用卻更大一些。

而試錯,則是數學解題中的必經之路,同時,在試錯過程中,得出的某些正確的結論,則直接為正確的思路打下了基礎,正如上題中試錯過程中,得到的結論,有些恰好是正確解法中的部分,所以,在思考過程中,只要認真想,總會有幫助。

所以我們在平時訓練時,除了注重變式之外,一定要注意方法的歸納與總結,這不是形式主義,而是真的要用心去總結。

思考沒有白走的路,每一步都算數。

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