初中数学平面几何 初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(四) “两形”之等边三角形3


周五 | 全科专栏


师训君评 在上一篇文章《初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(三)“两形”之等边三角形2》里,作者对等边三角形+外部一点的模型进行了深入研究,讲解了等边三角形+120度角模型的五个变式。
此外,还将外部的一个角从120度变成30度、60度、75度、90度,分别得出了不同的结论。

真是一波未平一波又起,在这一篇文章中,作者又继续将上一篇文章中最后一个模型进行拓展,讲解和等边三角形有关的一个最值模型。


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初中数学平面几何 初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(四) “两形”之等边三角形3

《初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(一)总纲》

《初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(二)“两形”之等边三角形》

《初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(三)“两形”之等边三角形2》


如图,在上一篇文章的最后,我们讲到了这个模型。△ABC是等边三角形,在其外部有一点D,当∠BDC=90度时,把△ABD旋转至△ACM,连接CM、DM,可以证明∠DCM=150度。

延长DC,过M做MQ垂直于DQ,运用勾股定理可以得出m,x,y,之间的数量关系,即AD、BD、CD之间的数量关系如下:

此时,∠BDC=90度,我们也可以换一个角度来理解,把BD和CD看成坐标系的y轴和x轴,这就变成了一个和等边三角形相关的一个非常重要的最值模型:
问题描述:如图,边长为2的等边三角形△ABC的两个顶点A、B分别在y轴和x轴上运动,求OC的最大值和最小值?

要解决这个问题,我们介绍两种方法。第一种方法叫做“三角形法则“。

如图所示:



当我们需要求一条“未知”的线段(AC)的最大值或最小值的时候,通常的做法就是将这条线段“放进”一个另外两边(AB、BC)都已知的三角形中,利用三角形“两边之和大于第三边,两边只差小于第三边”的法则,得出未知线段的最值。
在上述示意图中,|AB-BC|≤AC≤AB+BC ,当AB和BC反向共线时取得最大值,当AB和BC同向重合时取得最小值。
运用这个方法,我们要求OC的最值,首先要想办法把OC放进一个另外两边都已知的三角形中,我们发现△OAC,△OBC都不可以,因为OA和OB都不是已知线段。这时,联想到要在“变化之中寻找不变量”,应该取AB的中点M,因为斜边中线OM的长度始终等于AB的一半,等于1,这就是不变量。继续连接CM,它也是可求的,等于根3。

于是,当O,M,C共线时,OC取得最大值=1+根3。

当OC取最小值的时候,比较难直观理解,我们来看一下图:

第二种方法是“构造辅助圆”,如图:

要求一条线段的最值,通常的情况是这条线段一个端点是定点,一个端点是动点。(两个端点都是定点就是定值啦,两个端点都是动点的情况以后讲“最值专题”的时候专门再讲。)如果我们能找到这个动点是在一个圆上运动,就可以利用“圆外一个定点到圆上一个动点”的法则来求最值:如图,当线段过圆心时,PA最大,PB最小。
接下来,我们再看原题,也可以理解为△ABC不动,坐标系在运动,这是相对运动的思想。由于∠AOB始终等于90度,可以知道,点O在以AB为直径的⊙M上运动。

此时,当OC过圆心M时取得最大值和最小值。取最大值的情况如下:

取最小值的情况如下:

到这里我们要小结一下:请记住这两种方法,求“单条线段的最值”,一是用三角形法则,二是用辅助圆法则。(还是要备注一下,这里我们仅仅讲到了最值问题的皮毛,详细的最值问题以及分类我们后面会讲到哈。)
接下来,我们继续进行拓展,又继续思考当∠AOB不等于90度,而是其他特殊角度的时候,如何求最值。

变式一:如下图:当∠AOB=60度时,等边三角形ABC的顶点A、B分别在直线OA和OB上运动,求OC的最大值和最小值。



这个时候,我们经过实践探究就会发现,“三角形法则”在这里不太好用,OC无法放进一个两边都已知的三角形中。这里用辅助圆法则更好。
如图:

当OC过△ABC的外接圆圆心时可以求最值,此时,求解的关键是要求出△ABC的外接圆半径,求解过程如下:

此时,OC的最大值和最小值如下:



变式二:如下图:当∠AOB=30度时,等边三角形ABC的顶点A、B分别在直线OA和OB上运动,求OC的最大值和最小值。

变式三:如下图:当∠AOB=45度时,等边三角形ABC的顶点A、B分别在直线OA和OB上运动,求OC的最大值和最小值。

变式四:如下图:当∠AOB=62.5度时,等边三角形ABC的顶点A、B分别在直线OA和OB上运动,求OC的最大值和最小值。

变式五:如下图:当∠AOB=75度时,等边三角形ABC的顶点A、B分别在直线OA和OB上运动,求OC的最大值和最小值。

以上几种变式的最值,请各位读者自行参考变式一的求解方法进行求解,顺便可以巩固一下这个模型及方法。 此外,这个模型的出题方式还可以作一点修改,比如说限定点A和点B只能在“射线”OA和OB上运用,请思考OC有最大值还是有最小值?
总结 好了,又到了总结的时间。在本篇文章中,我们从上一篇文章《初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(三)“两形”之等边三角形2》的最后一个模型出发,将等边三角形外部的一个直角变成了“直角坐标系”,进而引入了一个非常重要的和等边三角形相关的最值模型。我们对这个最值模型给出了两种求解方法:1三角形法则;2辅助圆法则。

同时,我们又继续进行拓展和变形,将“直角坐标系”变成了“特殊角度的两条直线”,给出了五个变式。对第一个变式,给出了证明过程,其余变式留给读者思考。


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下期内容预告初中数学 | 平面几何的模型与方法系列分享(五)“两形”之等边三角形4
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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