线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

线段最值,包括一条线段,两条线段和甚至多条线段和的最值,通常解决的思路是化成一条线段,利用“两点之间线段最短”或“垂线段最短”来解决,当然在加入圆相关概念之后,可用定理会更多。多条线段和的最值也被归纳为“胡不归+阿氏圆”模型,当然,核心依然是上述基本定理。

题目

如图,在平面直角坐标系中,抛物线y=x²-2x-3与x轴交于点A,B(点A在点B左侧),交y轴于点C,点D为抛物线的顶点,对称轴与x轴交于点E.

(1)连接BD,点M是线段BD上一动点(点M不与端点B,D重合),过点M作MN⊥BD,交抛物线于点N(点N在对称轴的右侧),过点N作NH⊥x轴,垂足为H,交BD于点F,点P是线段OC上一动点,当MN取最大值时,求HF+FP+1/3PC的最小值;

(2)在(1)中,当MN取最大值,HF+FP+1/3PC取最小值时,把点P向上平移√2/2个单位得到点Q,连接AQ,把△AOQ绕点O顺时针旋转一定的角度α(0<α<360),得到△A'OQ',其中边A'Q'交坐标轴于点G,在旋转过程中,是否存在一点G,使得∠Q'=∠Q'OG?若存在,请直接写出所有满足条件的点Q'的坐标;若不存在,请说明理由.

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

解析:

(1)让我们先解决第一个问题,即MN什么时候最大?

点M在线段BD上,MN⊥BD,从图中可以观察出△FMN∽△DEB,请注意,它们的形状是相对固定的,因为这两个直角三角形中,有一个锐角∠DBE始终等于∠FNM,于是可利用相似三角形的对应边成比例,设置参数表示MN的长度,然后利用二次函数最值来解决,当然无论哪种方法,必要的坐标需要先求出来,抛物线解析式已知,因此可分别求出A(-1,0),B(3,0),C(0,-3),D(1,-4)以备后面解题需要。

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

方法一:设N(t,t²-2t-3),求出BD的直线解析式为y=2x-6,则点F(t,2t-6),可表示出FN=-t²+4t-3,再根据△FMN∽△DEB,得MN:FN=EB:DB,其中EB=2,DE=4,可计算出DB=2√5,因此MN=√5/5FN=-√5/5(t-2)²+√5/5,最后得到当t=2时,MN取得最大值,此时的点F(2,-2),HF=2;

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方法二:不妨作一条直线k与DB平行,且与抛物线只有唯一公共点,设这条直线为y=2x+n,与抛物线联立方程得2x+n=x²-2x-3,整理得x²-4x-(n+3)=0,有唯一公共点的含义是它的判别式为零,即△=0,16+4(n+3)=0,解得n=-7,于是我们可得到交点N(2,-3),从而得到点F(2,-2),同样计算出HF=2;

然后再来解决第二个问题,FP+1/3PC何时最小?

这个问题的焦点是如何处理1/3PC,在通常的线段和最值问题中,我们一般把两条线段的和“拼凑”成一条线段,再利用两个最值定理来求解,即在图中寻找或构造一条线段始终等于1/3PC,它在哪呢?

第一次尝试,解析法。

设点P点坐标为(0,p),分别表示出PC=p+3,PF²=4+(-2-p)²,得到一个含二次根式的代数式,1/3(p+3)+√[4+(-2-p)²],这在初中阶段基本走入“死胡同”了,失败!

第二次尝试,几何转换法。

在图中现有条件中,有没有两条线段比为1:3的呢?还真有!前面已经求出的A(-1,0),C(0,-3),在△AOC中,两条直角边之比恰好是1:3,也就是说,只要以PC为直角边,构造一个与之相似的直角三角形,岂不是解决问题了?作图如下:

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过点P作PK∥x轴,于是无论点P在何处,始终有PK=1/3PC,看上去似乎解决了,但且慢!PF+PK何时最小呢?AC是定线,点F是定点,按常理应该使用垂线段最短,可是PK不可能垂直于AC的,因此受阻于最短构型,失败!

第三次尝试,仍然是几何转换法。

至少在第二次尝试中,我们找到了一种解决问题的思路,即寻找一条始终长度是PC三分之一的线段,虽然上述PK的构造是失败的,但不妨碍我们在其基础上继续研究。

在失败中寻找原因,有定线有定点,不垂直是硬伤,那么我们换个思路,F是定点没得跑,定线难道只能是AC?在前面第二次尝试中,△PCK的两直角边之比为1:3,难道只能是两直角边的比?

稍微调整一下,我们过点P构造直角三角形,以PC为斜边可以吗?

所以我们需要构造一个以C为顶点,CP所在直线为一边,正弦值为1/3的角。

方法是以PC为直径作圆,再以P为圆心,1/3PC长为半径作弧,与前面的圆相交于点T,如下图:

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再连接PT和CT,看下我们的初衷是否实现了,如下图:

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检测第一条:CT是否为定直线,由于我们作图时保证了△PCT是一个直角三角形,理由是直径所对的圆周角是直角,且PT=1/3PC,因此sin∠PCT=1/3,由三角函数概念可得∠PCT的大小是确定的,所以判断CT是定直线;

检测第二条:PT是否始终为PC的三分之一,这毋庸置疑,我们就是截取它的三分之一作弧的;

至此成功构造出FP+PT=FP+1/3PC,且当F、P、T三点共线时,其和最短,理由是“垂线段最短”。

接下来可以开始求这个最小值了,过点F作FS⊥y轴,如下图:

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

很容易证明△PCT∽△PFS,得到PS=1/3PF,而在Rt△PFS中,FS=2,另两边之比为1:3,一个直角三角形,一旦知道两条边的比,则三边之比可求,因此PS:FS:FP=1:2√2:3,这也是利用三角函数的结果,所以FP=3√2/2,PS=√2/2,再来求PC=CS-PS=1-√2/2,然后得到PT=1/3PC=1/3-√2/6,最后将三段合成,HF+FP+1/3PC的最小值为(7+4√2)/3;

(2)在前一小题的基础上,我们已经确定了点P坐标,因此Q点坐标也随之确定,从而△AOQ的形状大小也能确定,接下来就是旋转的问题了。

首先P(0,(-4-√2)/2)向上平移后得到Q(0,-2),再观察Rt△AOQ,发现它两直角边分别是1和2,因此斜边是√5,从上个图中先看∠Q'和∠Q'OG之间的关系,前者是直角三角形的一个内角,后者是由直角顶点出发的一条线段,这令人想到直角三角形斜边上的中线,那么,是否旋转至当这个直角三角形斜边上的中线与坐标轴重合,恰好存在这样的数量关系呢?不妨试一下,如下图:

线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

当∠Q'=∠Q'OG时,过点Q'向x轴作垂线Q'L,得到∠LQ'O=∠Q'OG=∠Q',即△LQ'O也是一个三边比为1:2:√5的直角三角形,所以点Q'坐标就比较好求了,毕竟OQ'长度始终为2,因此当点G在y轴正半轴时,Q'(-2√5/5,4√5/5);

于是剩下的几种情况就容易多了,分别作图如下:

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线段最值里的“三截棍”如何破解?(胡不归问题)

分别求当点G在x轴正半轴时,Q'(4√5/5,2√5/5);

当点G在y轴负半轴时,Q'(2√5/5,4√5/5);

当点G在x轴负半轴时,Q'(-4√5/5,-2√5/5).

综上所述,所有满足条件的点Q'坐标为(-2√5/5,4√5/5),(4√5/5,2√5/5),(2√5/5,4√5/5),(-4√5/5,-2√5/5).

解题反思

有的时候,自己在备课时把一道题目的解法条分缕析,非常透彻(自以为),可是学生却索然无味,一方面怀疑是学生的学习态度不够端正,另一方面也必须反省自身,讲解能否再精彩一些?

上网课期间,有学生玩游戏直播,不亦乐乎,这么多人围观,技术也不怎么样,是什么勇气?围观者是什么心态?难道不应该看那些玩的最溜的玩家吗?

思考多了,便也得出了结论,当然,是我自己的结论。

学生看老师讲题,有时候是带着疑问听,这样当然效果最好,更多的时候是被动听的,因为老师要讲这道题,所以我才去看看。

针对这种心态,讲题过程如果没有“故事”或者“事故”,是很难抓住学生注意力的,因此在讲解这道题之前,我自己先尝试以学生思路去思考,果然会遇到问题,这就引起了共鸣,学生在听讲的时候会发现,原来老师也是这么想的,而且没做出来!

对,老师也没做出来,这个就很有意思了,那就看老师能不能做出来,多了几分期待,其实就是要多这几分期待,至少注意力集中过来了不是吗?

尝试有成功也有失败,很明显学生对翻车很有兴致,毕竟在他们的解题过程中,翻车现场比比皆是,在我看来,翻车不要紧,及时吸取教训才是重点,从失败之处找到原因,而且失败之后并不代表努力也是失败的,本题中恰恰是从失败中找到的新的思路,这也是鼓励学生不要因为思路没走通,而对整个过程全盘否定。

数学解题,无论一种方法最终能否成功,过程非常重要,在整个思考过程中,会调用不同的知识,引用不同的方法,这个过程就是学习的过程,而与最终结果无关。

也就是说,在未来的教学过程中,有意识地设置教学环节,让思维贴近学生,而不是一上来就摆出一幅先知模样,秒杀这秒杀那,情同理合的教学场景,才最具效果。

不过,这终归是“演戏”,上课,其实也是一场场戏,演得好不好,能不能吸引学生,核心是教学设计,宛如剧本,否则一身解法,尽唱独角戏,实在可惜。

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