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新东方名师讲解:数学最短路线问题解析与拓展

2016-10-25 收藏

【数学网编者按】为了让考生更有针对性的应对2012年中考,数学网中考频道特邀一批深悉中考题型脉络,同时又掌握考生易错点的新东方优能中学一线名师,针对不同题型进行精准定位、方法解析,希望能给参加2012年高考的考生带来便利。

一、引言

两线段之和最短这个问题早在古罗马时代就有了,传说亚历山大城有一位精通数学和物理的学者,名叫海伦.一天,一位罗马将军专程去拜访他,向他请教一个百思不得其解的问题。将军每天从军营A出发,先到河边饮马,然后再去河岸同侧的B地开会,应该怎样走才能使路程最短?这就是被称为将军饮马而广为流传的问题。

对于此问题,可以将河岸看作一根直线l,选择A点或B点中任意一点作其关于直线l的对称点。如图所示,若选择A点作对称点A,将A与B点连接起来,与直线l的交点P即是所要求的饮马点。为什么是这样呢?因为对于河岸上任意非P的点P,其到A、B两点的距离相当于?A^B的两条边PB和PA,而P到这两点的距离之和为AB,根据三角形两边之和大于第三边的性质,可以得出PA+PB一定是最短问题。

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二、引申与变式

对于此问题可以提炼为:若一个动点在直线上运动,一定能找到它到直线同侧两个定点距离之和最小的点。最基本的问题方式就是找使得AP+BP最小的P点位置。而随着学生年级的增加,知识量的扩大,可以引申出不同知识模块下的最短路线问题。

1、学生学习勾股定理后,可以利用勾股定理求应用题中的最短距离

例1 如图,A、B两个小集镇在河流CD的同侧,分别到河的距离为AC=10千米,BD=30千米,且CD=30千米,现在要在河边建一自来水厂,向A、B两镇供水,铺设水管的费用为每千米3万,请你在河流CD上选择水厂的位置M,使铺设水管的费用最节省,并求出总费用是多少?

解析:只要读懂题并将其转化成数学表达式,会发现这就是最基本的找AM+BM最短问题。

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2、在学习直角坐标系后,可以将最短路线问题跟坐标点结合

例2 在平面直角坐标系中,有A(3,-2),B(4,2)两点,现另取一点C(1,n),当n =______时,AC + BC的值最小。

解析:A、B两点坐标给定也就是固定的,C点横坐标固定而纵坐标未知,也就意味着其在直线x=1上运动,只需要会找对称的坐标点就可以了。

3、在学习了四边形,了解了正方形性质后,可以在正方形内构造最短路线问题

例3 如图,正方形ABCD的边长为8,M在DC上,且DM=2,N是AC上的一动点,DN+MN的最小值为_________。

解析:关键是要能判断出来,M点关于AC的对称点是在BC的对应位置上,利用勾股定理很容易求出DM的长度。

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4、在初三学习了圆后,可以将此类问题构造到圆内

例4 如图,点A是半圆上的一个三等分点,点B是弧AN的中点,点P是半径ON上的动点,若?O的半径长为1,则AP+BP的最小值为_________________

解析:本题想到用最短路问题的思路解决并不难。但如何构造对称点,尤其是构造出对称点后,如何求AB长度是难点。这里观察发现三等分点和中点这样的条件,想到可以找圆心角,从而构造出特殊的等腰直角三角形AOB。

最短路问题除了随着年级增加而采用不同的知识包装外,其问题本身也可能会进行变式,从而产生一些更有难度的题目。但只要剥离外衣我们就会发现,这仍然是最短路线问题。

对于学生而言,掌握最短路线问题的关键,是要完全理解点的对称。即使问题不是两个定点和一个在直线上运动的动点,但只要是两段距离之和,则都要思考是否可以通过对称,

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5、将折线问题转化为直线问题,从而判断出最短距离

例5 如图,在锐角△ABC中,AB=42,BAC=45,BAC的平分线交BC于点D,M、N分别是AD和AB上的动点,则BM+MN的最小值是____.

解析:此问题的难点是M、N均为动点,会较难联想到用最短路线问题去做。而事实上,由于AD是角平分线,所以N关于AD的对称点一定在AC上,那么BM+MN的最小值可以转化为B到直线AC的最小值,此时显然过B作AC垂线是最短的。

另一种较有代表性的变式方式是,并不直接求两线段的距离之和,而用较为隐晦的方式来表达此意思。例如,问题是求三角形的周长最短。若其中一条边的长度是固定的,其实质还是求两折线的最短距离。

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例6 已知:抛物线的对称轴为x=-1,与 轴交于 两点,与 轴交于点 其中 、 (1)求这条抛物线的函数表达式.(2)已知在对称轴上存在一点P,使得 的周长最小.请求出点P的坐标.(3)若点 是线段 上的一个动点(不与点O、点C重合).过点D作 交 轴于点 连接 、 .设 的长为 , 的面积为 .求 与 之间的函数关系式.试说明 是否存在最大值,若存在,请求出最大值;若不存在,请说明理由.

解析:第一问求出抛物线表达式并不难。第二问求 的最短周长,P点其实是在对称轴x=-1上的动点,而B、C分别是定点, 的周长就转化为求PB+PC的最短值。显然,这里B的对称点就是A,直接连接AC就可以得到P点。

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三、思考与总结

最短路线问题的出题背景是极其广泛的,可以变式出角、三角形、菱形、矩形、正方形、梯形、圆、坐标轴、抛物线等,可以考察的核心知识点包括两点之间线段最短,垂线段最短,点关于线对称,线段的平移。近来,还考察有三折线转化为直线,以及位于直线两侧的两定点和直线上动点之间距离之差最大的问题。对于我们解决这类题而言,无论题目怎么变化,其核心点是万变不离其宗的,这个宗就是找点关于线的对称点,从而实现将折线转化为直线的问题。

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