初中数学平面几何 初中数学 | 平面几何的模型与方法(二):“两形”之等边三角形

初中数学平面几何 初中数学 | 平面几何的模型与方法(二):“两形”之等边三角形
师训君评
1、一个等边三角形相关的几何模型;2、两个等边三角形相关的几何模型。 对于等边三角形的模型研究,我们首先从一个等边三角形和一个点的位置关系开始研究。

(1)如图,有一个点D在等边三角形的一条边上。我们看看这个基本图形可以出现什么样的结论呢?大家都知道,等边三角形也是旋转的基本载体,我们可以利用旋转来进行研究。将三角形△ABD逆时针旋转至△ACE,如下图:
这样我们易证△ADE是等边三角形,AD=DE,同时,BD=CE,这样我们把AD、BD、CD三条线段“转移”到了一个三角形△DCE中。在同一个三角形中的三条线段,我们可以出什么题目呢?比如三边关系,CD+CE>DE,也就是说在原图形中,CD+BD>AD。

此外,还可以考察长度计算。我们容易证明∠DCE=120度,如果已知CD和CE两边的长度,就可以求出DE的长度,也就是说,原图形中,可以命题:已知CD和BD的长度,求AD的长度。 (2)如图,有一个点D在等边三角形的内部,连接AD、BD、CD。像这样,一点在等边三角形的内部,我们首先想到的应该是“费马点问题”:当点D满足什么条件时?AD+BD+CD最小。

不过“费马点问题”主要是在一个普通三角形内考察,在等边三角形这里就不用探讨了。在《旋转》部分,我们会单独讲到费马点问题。
好,我们现在依然像第一种情况一样,利用旋转来看看可以如何命题。比如下图,我们将△ADC顺时针旋转至△AEB: 
易证△ADE是等边三角形,AD=DE,这样我们就把BD、CD、AD三条线段“转移”到了一个△BDE中。这时,我们可以出什么题目呢?可以考察勾股定理啊。如果这三条边的长度刚好满足勾股定理,那么我们就能根据勾股定理的逆定理导出直角,从而可以利用三角形函数或者特殊关系导出45度、30度或60度。
比如,如果能够导出∠DEB=90度,因为△ADE是等边三角形,∠AED=60度,这样就知道∠AEB=150度,也即∠ADC=150度。
同时,用刚才的方法求出∠ADC的度数之后,我们还可以利用勾股定理求出等边三角形的边长AC。如下图:延长CD,点A做AF垂直于CD.
最后,除了研究边的关系,这个模型也可以研究角度的关系。比如,已知点D对三条边的“张角”-∠BDC、∠ADB、∠ADC的度数或比例关系,求以AD、BD、CD为边的三角形三个内角的度数或比例关系。关于这部分的内容我就不做详细讲述了,请各位老师自己进行研究。
所以,当一个点D在等边三角形内部的时候,我们至少有3种命题方式:
1) 已知AD、BD、CD三条线段的长度或者比例关系(满足勾股定理),求∠ADC及BC;2) 已知∠ADC(150度或135度等特殊角度),求AD、BD、CD三条线段的关系;3) 已知∠BDC、∠ADB、∠ADC的度数或比例关系,求以AD、BD、CD为边的三角形三个内角的度数或比例关系。
(3)如图,有一个点D在等边三角形的外部,连接AD、BD、CD。
这是我们本篇文章中最重要的一种情况,会产生非常重要的一个模型。我们来一起思考和推导,还是利用旋转来看看将会出现什么情况。 

如图,我们将△ACD顺时针旋转至△ABE,连接DE。


此时,我们知道△ADE是等边三角形,AD=ED,又CD=BE,于是,AD、BD、CD三条线段转移到了一个△DBE中。可以如何命题呢?我们最容易想到的就是当E、B、D三点共线。
此时,可以导出两个重要结论:1) AD=BD+CD2) ∠ADB=∠ADC=60度(或AD平分∠BDC) 现在,让我们来重新梳理一下这个重要的模型。
模型描述:一个等边三角形外部,有一个角∠BDC=120度。

反过来,关于这个模型的证明方法,我们又可以从四个方向来证明:i. 旋转ii. 截长补短iii. 构造等边三角形iv. 角平分线 
同时,这个模型还有一个变式:把已知的∠BDC=120度变成∠ADC=60度,上述结论仍然成立。 
关于这个模型的一些应用场景和考题如下

备注 这几个例题中,还会涉及正方形或者等腰直角三角形的模型,我们后面会给大家做分享的。
关于这个模型的各种证明方法和细节,我会在“精雕细课”中进行细致的带语音的讲解,大家可以关注一下。
总结这篇文章我们从一个等边三角形和一个点的位置关系出发,利用旋转为工具,去探究一个点分别在等边三角形的一边上、内部以及外部这三种不同的情况,可以如何去命题。从而总结出一些固定的结论和模型。这种研究方法可以复制和推广到其他地方,帮助我们研究和总结出更多的几何模型。
这其中,最后一种情况是最最重要的:一个等边三角形外部+一个120度或者60度的角,可以导出一个线段和差以及一条角平分线这两个结论。
更多几何模型和方法,敬请期待下期师训讲堂文章分享。
下期内容预告初中数学之平面几何的模型与方法系列分享(三)“两形”之等边三角形2
关于作者樊浪,新东方教育科技集团中级教学培训师,新东方优能中学推广管理中心高级产品架构师,新东方二十周年功勋教师。



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