借用幾何模型,破解壓軸難題有奇效,複習提升必備

2020-12-21 中學數學精準輔導

有關求解最值的問題很多,題目的類型也很多,一般都是放在選擇題壓軸題的位置上或填空題的壓軸題的位置上。很多同學對動點幾何最值問題很畏懼,不知如何下手分析,做題沒思路。筆者認為這是模型積累不夠的表現,幾何的基礎是圖形的性質,而不同的圖形性質可以搭建出各個模型,從而演化出我們熟悉的典型題目。

在日常學習中,同學們如果只是粗略地將所有練習題做一遍,而拒絕總結歸類,可能最終並不會有太多收穫。更重要的是,在遇到模型疊加及綜合後,是否可以準確判斷出相關模型及切入點,決定了一道幾何題能否在規定時間內被攻破。其次,不會做幾何輔助線,往往是對關鍵詞不敏感。

做幾何題的重點在於多種模型綜合運用,對模型的熟練掌握直接體現為:題中出現關鍵字眼的時候可以馬上在腦中反應出多種做法,並挑選出正確的做法。此外,對幾何模型的掌握絕不能一知半解,否則很容易陷入錯誤解法的怪圈。今天我們推出一種解決最值問題的模型:定邊對定角模型。

模型探究

如圖,在△ABC中,AB=4,∠ACB=90°,

(1)求△ABC的最大面積。

(2)求AC+BC的最大值。

分析:本題中有兩問,我們首先來研究第一問:在條件中,我們可以知道AB的長為4, 如果以AB為底,那麼底是確定的,即為定長,現在要求△ABC的面積的最大值,我們只需要讓AB邊上的高最大即可,所以可以過點C作CD⊥AB於D(如下圖),則當CD最大時,△ABC的面積最大,所以我們將這類問題轉化為求高CD的最大值問題。

在前面的學習中,我們已經知道,當直角三角形的斜邊為定值時,斜邊上的中線為定值,且等於斜邊的一半,所以我們可以作出AB邊上的中線CE(E為AB的中點),如下圖:

通過以上步驟,我們可以知道△CED為直角三角形,CE是斜邊,根據斜邊大於直角邊,我們可以知道CD<CE=2, 而點C為動點,當點C在AB的垂直平分線上時,即△ABC為等腰直角三角形時,CD與CE重合,此時CE=CD,

故我們可以得到CD≤CE=2.這樣我們就找到了高CD的最大值,從而可以計算出△ABC的最大面積為4×2×0.5=4.

(2) 接下來,我們繼續研究第二問,需要求解AC+BC的最大值為多少?

在前面的學習中,我們已經學習了要求兩條線段的和時,我們可以通過截長補短法來解決,這種方法可以將兩條線段和的問題轉化為一條線段的長度問題。下面我按照這個思路給大家分析一下。

首先,我們延長AB到B',使得CB'=CB,連接BB',如下圖所示。

通過恰當的作輔助線,我們可以知道AB'=AC+BC,即將求AC+BC和的問題轉化為求AB'的長問題。根據上圖我們可以知道∠AB'B=45°,而AB=4,所以我們可以快速定位到定邊定角模型,點B'的軌跡是以AB為弦,圓心角∠AOB=90°的優弧。所以我們就可以快速畫出點B'的軌跡。如下圖所示:

由上圖可知,△AOB是等腰直角三角形,∠AOB=90°,OA=OB=2倍根號2,即⊙O的半徑為2倍根號2,而AB'為⊙O的一條弦,我們知道,在圓中直徑是最長的弦,所以當點C與O重合時,AB'最長,即AC+BC的和最大。此時三角形ABC恰好是以點C為頂點的等腰三角形。動態演示如下:

模型綜述

定邊定角模型中,以動點為頂點的三角形是等腰三角形時,三角形的面積最大,周長最大。這一個結論很重要,需要每個同學理解並牢記。

經典考題

1.在平面直角坐標系中,點A、B、C坐標分別為(0,1)、(0,5)、(3,0),D是平面內一點,且∠ADB=45°,則線段CD的最大值是_______.

【解析】:∵點A、B坐標分別為(0,1)、(0,5),∴AB=4,

作PH⊥AB於H,則AH=BH=2,取PH=2,則△PAB為等腰直角三角形,

∴∠APB=90°

∵∠ADB=45°,∴∠ADB=1/2∠APB,

∴點D在以P點為圓心,PA為半徑的圓上,

∵線段CD要取最大值,∴P點在第二象限,P(﹣2,3),

∵CD≤PD+PC(若且唯若C、P、D共線時取等號),

∴CD的最大值為PD+PC,

2.如圖,已知等邊△ABC的邊長為2√6,D,E分別為BC,AC上的兩個動點,且AE=CD,連接BE,AD交於點P,則CP的最小值______.

【解析】:∵CD=AE,∴BD=CE,

易證△ABD≌△BCE(SAS),故∠BAD=∠CBE,

∵∠APE=∠ABE+∠BAD,∠APE=∠BPD,∠ABE+∠CBE=60°,

∴∠BPD=∠APE=∠ABC=60°,∴∠APB=120°,

∴點P的運動軌跡是弧AB,∠AOB=120°,連接CO,

∵OA=OB,CA=CB,OC=OC,∴△AOC≌△BOC(SSS),

∴∠OAC=∠OBC,∠ACO=∠BCO=30°,

∵∠AOB+∠ACB=180°,∴∠OAC+∠OBC=180°,

∴∠OAC=∠OBC=90°,

3.如圖示,在Rt△ABC中,∠ACB=90°,AC=3,BC=√3,點P在Rt△ABC內部,且∠PAB=∠PBC,連接CP,則CP的最小值等於______.

【解析】:如圖所示,∵在Rt△ABC中,∠ACB=90°,AC=3,BC=√3,

∴tan∠BAC=BC/AC=√3/3,∴∠BAC=30°,

∴∠CBA=60°,即∠1+∠2=60°,

∵∠PAB=∠1,∴∠PAB+∠2=60°,∴∠APB=120°,

∴點P在以AB為弦的圓O上,∴∠AOB=120°,

∵OA=OB,∴∠3=∠4=30°,

∴∠1+∠2+∠3=90°,即∠CBO=90°,

∠DAO=∠BAC+∠4=60°,∠AOD=30°,

過點O作OD⊥AC於點D,∴∠DOB=90°,

∵∠DCB=90°,∴四邊形DCBO是矩形,

∴DC=OB,OD=BC=√3,

∴在Rt△ADO中,AD=ODtan30°=√3×√3/3=1,

∴DC=AC﹣DC=3﹣1=2,∴OB=OP=2,

∴利用勾股定理可求得OC=√7,

當點O、P、C在一條直線上時,CP有最小值,

∴CP的最小值為OC﹣OP=√7﹣2.

變式.如圖,△ABC為等邊三角形,AB=2,若P為△ABC內一動點,且滿足∠PAB=∠ACP,則點P運動的路徑長為_____.

【解析】:∵△ABC是等邊三角形,

∴∠ABC=∠BAC=60°,AC=AB=2,

∵∠PAB=∠ACP,

∴∠PAC+∠ACP=60°,∴∠APC=120°,

4.如圖三角形ABC中,AB=3,AC=4,以BC為邊向三角形外作等邊三角形BCD,連AD,則當∠BAC=_____度時,AD有最大值______.

【解析】:如圖,在直線AC的上方作等邊三角形△OAC,連接OD.

∴CA=CO,CB=CD,∠ACO=∠BCD,

∴∠ACB=∠OCD,易證△ACB≌△OCD,

∴OD=AB=3,

∴點D的運動軌跡是以O為圓心OD長為半徑的圓,

∴當D、O、A共線時,AD的值最大,最大值為OA+OD=4+3=7.

∵△ACB≌△OCD,∴∠CAB=∠DOC,

∵當D、O、A共線時,∠DOC=180°﹣60°=120°,

∴當∠BAC=120度時,AD有最大值為7.故答案為120,7.

5.如圖1,E、F分別是正方形ABCD的邊AB、AD的中點,且AB=2,若將△AEF繞點A逆時針旋轉一周,在旋轉過程中直線BE、DF相交於點P.

(1)在△AEF繞點A逆時針旋轉過程中,線段BE、DF有怎樣的數量關係和位置關係,並就圖2的位置加以說明;

(2)在△AEF繞點A逆時針旋轉過程中,線段PA的長度是否存在最大值?若存在,求出這個最大值;若不存在,請說明理由;

(3)求當△AEF繞點A從起始位置旋轉一周回到終止位置過程中,點P運動的路徑長.

【解析】:(1)BE=DF,BE⊥DF,如圖1,

易證△ABE≌△ADF,∴BE=DF,∠ABE=∠ADF,

∵∠ABE+∠AGB=90°,∴∠ADF+∠PGD=90°,

∴∠DPG=90°,∴BE⊥DF;

(2)如圖1,取EF中點,連接PH,AH,

∵∠EAF=∠FPE=90°,

∴PH=AH=1/2EF=√2/2,

∴點P,H,A三點共線時,PA最長為√2.

(3)連接BD,取BD中點O,連接OP,OA,如圖2,

∵∠BAD=∠BPD=90°,

∴OP=OA=1/2BD=√2,∴P在以O圓心,√2為半徑的圓上,

當PA取最大時,PA=OP=OA=√2,

點P運動的路徑是以O為圓心,以√2為半徑圓心角是60°的弧的位置,再返回到點A,從另一方向繼續以點O為圓心以√2為半徑旋轉60°的弧的位置,再返回,即:4段以點O為圓心,√2為半徑圓心角是60°的弧的弧長,

∴點P運動的路徑長為4×π√2/3=4π√2/3.

6.問題提出:

(1)如圖1,已知△ABC,試確定一點D,使得以A,B,C,D為頂點的四邊形為平行四邊形,請畫出這個平行四邊形;

問題探究:

(2)如圖2,在矩形ABCD中,AB=4,BC=10,若要在該矩形中作出一個面積最大的△BPC,且使∠BPC=90°,求滿足條件的點P到點A的距離;

問題解決:

(3)如圖3,有一座塔A,按規定,要以塔A為對稱中心,建一個面積儘可能大的形狀為平行四邊形的景區BCDE.根據實際情況,要求頂點B是定點,點B到塔A的距離為50米,∠CBE=120°,那麼,是否可以建一個滿足要求的面積最大的平行四邊形景區BCDE?若可以,求出滿足要求的平行四邊形BCDE的最大面積;若不可以,請說明理由.(塔A的佔地面積忽略不計)

【解析】:(1)如圖記為點D所在的位置.

(2)如圖,

∵AB=4,BC=10,∴取BC的中點O,則OB>AB.

∴以點O為圓心,OB長為半徑作⊙O,⊙O一定於AD相交於P1,P2兩點,

連接BP1,P1C,P1O,∵∠BPC=90°,點P不能在矩形外;

∴△BPC的頂點P1或P2位置時,△BPC的面積最大,

作P1E⊥BC,垂足為E,則OE=3,

∴AP1=BE=OB﹣OE=5﹣3=2,由對稱性得AP2=8.

(3)可以,如圖所示,連接BD,

∵A為BCDE的對稱中心,BA=50,∠CBE=120°,

∴BD=100,∠BED=60°

作△BDE的外接圓⊙O,則點E在優弧BD上,取弧BED的中點E′,連接E′B,E′D,

則E′B=E′D,且∠BE′D=60°,∴△BE′D為正三角形.

連接E′O並延長,經過點A至C′,使E′A=AC′,連接BC′,DC′,

∵E′A⊥BD,

∴四邊形E′BC′D為菱形,且∠C′BE′=120°,

作EF⊥BD,垂足為F,連接EO,則EF≤EO+OA=E′O+OA=E′A,

∴S△BDE=1/2BDEF≤1/2BDE′A=S△E′BD,

∴S平行四邊形BCDE≤S平行四邊形BC′DE′=2S△E′BD=1002sin60°=5000√3(m2)

所以符合要求的BCDE的最大面積為5000√3m2.

解題思路總結

1-模型識別:兩定(A、B)一動(C),AB長固定,∠ACB固定,

求△ABC周長及面積最大值;

2-計算模型建立:做△ABC外接圓,

3.模型結論:當△ABC為以C為頂點等腰三角形時,其周長和面積最大。

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