一类“最小值问题”的探究与启示

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  最小值问题,是近年来中考的热点问题,其变化多端,形式多样。但就其实质来说,不过是两个基本公理1:两点之间,线段最短 公理2:垂线段最短的的应用。本文,拟就其中一类最小值问题——“将军饮马”进行探索和总结。
  数学来源于生活,又服务于生活。唐朝诗人李欣的《古从军行》开头两句说:“白日登山望烽火,黄昏饮马傍交河.”诗中隐含着一个有趣的数学问题:
  如图所示,诗中将军在观望烽火之后从山脚下的A点出发,走到河边一点,饮马后再到B点宿营.请问怎样走才能使总的路程最短?
  建立数学模型如下图,问题归结为:在直线l上求一点C,使CA+CB的值最小。
  可以看到:在问题中,有一条定直线和两个定点以及一个动点。动点的运动轨迹是定直线。为了分析方便,我们简称:一线两定点。
  对于这类求“共点线段和最小”的问题中,通过翻折定点A,把线段AC转化为DC即可应用公理:两点之间,线段最短,并求解。如右上图所示,线段BD与直线l的交点C即为所求的点,此时CA+CB的值最小。这类问题是求最小值的常见模型,常常称之为“将军饮马”问题。它最早见于北师大版七年级数学(下)5.3简单的轴对称图形的问题解决。但它的应用贯穿于整个初中数学。
  理解数学模型的实质,有助于我们在多变的数学题中,抓住问题的本质而不迷失方向,找到正确的解题途径。
  下面我从几个变式,来探究和归纳该类问题的本质。
  变式1:已知正方形ABCD的边长为8,M在DC上,且DM=2,N是AC上的一动点。则DN+MN的最小值为多少?
  图2
  与基本模型比较,背景变成了正方形,图形变得更复杂了,似乎不是“将军饮马”模型了。
  但其实质呢? 我们用基本图形分离法来分析一下:
  ①定直线:动点N的运动轨迹是正方形的对角线AC ②定点: 点D和点M
  其实质依然是“将军饮马”问题。如图2所示,1.作定点M关于直线AC的对称点E 2.连接DE,交直线AC于点N 3.此时,DN+MN的值最小。
  解题策略为:“对称” +“两点之间,线段最短”
  变式2:点P是∠MON内的一点,分别在OM,ON上作点A,B,使△PAB的周长最小
  特点:两线一定点
  这里,涉及到两个动点和两条定直线,问题更复杂了。能转化为“将军饮马”模型吗? 如何转化呢?
  探究第一步:分别画点P关于直线OM、ON的对称点P1、P2
  第二步:连结P1P2,交OM、ON于点A、点B
  根据“翻折运动”的相关性质,AP=AP1,BP=BP2;根据“两点之间,线段距离最短”可知此时AP1+BP2+AB最短,即△ABP周长最短。
  策略:两次对称
  变式3:如图,A为马厩,B为帐篷,牧马人某一天要从马厩牵出马,先到草地边某一处牧马,再到河边给马喝水,然后回到帐篷,请你帮助他确定这一天的最短路线。
  特点:两定点,两定直线 简称:两线两定点。
  与“将军饮马”模型不同!有内在的联系吗?
  我们可以首先作出点A关于直线ON的对称点E(EC=EA);在观察点E,B与直线OM的关系,问题就又是一个“将军饮马模型”!
  因此,解题策略为:两次对称+ “将军饮马模型”。
  拓展一下,把问题变式为求四边形周长最小的问题:
  如上图,点A,B为∠MON内的两点,分别在OM,ON上作点A,B。使四边形ACDB的周长最小.其解法完全一样。
  可见:要实现数学问题的“举一反三”,必须抓住问题的实质。
  从以上变式中,我们发现:“将军饮马”问题的本质在于:作定点的对称点,利用轴对称的性质,把折线段(含周长)之和转化为一条线段,利用线段的最值,就能解决问题。
  再看下面的拓展:
  变式4:(2016春·常州期中)如图,在菱形ABCD中,AB=6,∠B=60°,点G是边CD边的中点,点E、F分别是AG、AD上的两个动点,则EF+ED的最小值是 .
  特点:一线一定点 如何探究呢?
  从对称性入手分析:①点F的对称点H在一定在直线AC上,问题演变为:DE+EH的最小值问题,很明显,当D、E、F三点共线时,其和最小;
  ②但是,因为F的变化,相应的点H的位置也发生着变化,DH的长度是个变量。
  什么时候DH 最小呢?显然,DH⊥AC时,利用垂线段最短。
  因此,策略为:“对称+将军饮马模型”+垂线段最短
  变式5:如图,△ABC中,点D、E、F分别在边AB、AC、BC上,试求作△DEF的最小值。
  特点:没有定点了。三个点都是动点,应该如何探究呢?
  尝试探究如下:
  将点D视为定点,问题转化为两线一定点问题了。
  ①先作出△DEF的最小值对应的线段 ;
  ②而后研究 随着点D的位置变化过程中的最小值即可;
  那么,点D在何處时, 最小呢?
  我们仍然从对称性入手,可知:无论点D位置在何处,点C对线段 的张角不变,即 的大小不变,为2∠ACB. 因而,为使得 最小,只需要 = =CD最小即可.
  显然当CD⊥AB时,有垂线段最短,从而内接三角形△DEF的周长最小。
  我们再进行一个变式:
  变式6:在平面直角坐标系中,矩形OACB的顶点O在坐标原点,顶点A、B分别在x轴、y轴的正半轴上,OA=3,OB=4,D为边OB的中点.若E、F为边OA上的两个动点,且EF=2,当四边形CDEF的周长最小时,求点E、F的坐标.
  因为CD、EF是定长,问题转化为:在直线OA上求两点E,F,使线段和(DE+CF)最短的问题。
  DE、CF不共点,我们把C沿着与OA平行的直线平移到G,使CG=EF,这样,CF=GE,问题就又转化为“将军饮马模型”了。
  其策略为:“平移+将军饮马模型”。
  由此可见:在求运动轨迹为直线的折线段之和最短时,最为关键的思路是:作出定点的对称点,利用两个最短公理,把折线段变直,是解题的突破口。
  对称是解决折线和最短的重要方法。因此,在角、等边三角形、正方形和抛物线等具有轴对称性质的图象中,都可以看到类似于“将军饮马”求最小值的问题,贯穿于初中数学的学习之中。
  利用“将军饮马”的解题思路和化归思想,我们还可以探究以下两类问题:(1)两条线段上速度不同时的最短时间问题(2)动点轨迹轨迹是圆弧的最值问题(3)动点轨迹不清晰的问题
  囿于篇幅,本文不加以讨论。
  从以上的变式探究中,我们既可以感受到数学的灵活性、综合性,这是数学学习的困难之处,但更能感受到数学极强的科学性、规律性。尤其是一些重要基本模式的拓展和探究,它既能锻炼思维,巩固知识,提炼方法,更能让我们在纷繁复杂的变化中,揭示数学知识的本质特性,找到解决复杂问题的思路和方向,提升自己应对综合问题的自信和能力,这是数学学习的重要方式之一。
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