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《例談一類看似等腰三角形的存在性問(wèn)題——論導(dǎo)角轉(zhuǎn)化的重要性》

 xyz3i 2019-02-05

轉(zhuǎn)化思想是常用的數(shù)學(xué)思想方法之一,它包括生疏問(wèn)題熟悉化、復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、未知問(wèn)題已知化、實(shí)際問(wèn)題數(shù)學(xué)化等,還包括數(shù)與形的相互轉(zhuǎn)化、斜與直的相互轉(zhuǎn)化、邊與角的相互轉(zhuǎn)化、函數(shù)與方程的相互轉(zhuǎn)化等.可以說(shuō),轉(zhuǎn)化在數(shù)學(xué)中無(wú)處不在,沒(méi)有轉(zhuǎn)化,就沒(méi)有數(shù)學(xué).

本文擬以一類看似等腰三角形的存在性問(wèn)題為例,通過(guò)導(dǎo)角,轉(zhuǎn)化為其他存在性問(wèn)題,以體現(xiàn)轉(zhuǎn)化在數(shù)學(xué)中的重要作用,增強(qiáng)學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力與手段,提升解題技能.

一、例題呈現(xiàn)

例1.如圖1,在矩形ABCD中,AB=2,AD=4,P是邊BC上的一動(dòng)點(diǎn)(P與B、C不重合),過(guò)點(diǎn)A作AQ⊥AP,交CD的延長(zhǎng)線于點(diǎn)Q,交AD于點(diǎn)E,若BP=x,CQ=y(tǒng).

(1)試寫出y與x的函數(shù)關(guān)系式;

(2)當(dāng)x為何值時(shí),△APE為等腰三角形?  

 一題一思:本題第(1)問(wèn)識(shí)別相似,利用比例式列出方程,得到函數(shù)關(guān)系式;也可采取“見(jiàn)直角,造一線三直角”策略,如圖5,構(gòu)造Rt△ABP∽R(shí)t△QGA,事實(shí)上Rt△QGA ≌Rt△ADQ,它們是“一伙的”.

第(2)問(wèn)看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,這里以角為分類標(biāo)準(zhǔn),第①類轉(zhuǎn)化為中點(diǎn)問(wèn)題,結(jié)合“平行線分線段成比例公理”瞬秒;第②類轉(zhuǎn)化為相似問(wèn)題,借助比例列方程;第③類轉(zhuǎn)化為全等問(wèn)題,利用勾股定理列方程.由此可見(jiàn),等腰三角形僅僅是個(gè)華麗的外表,透過(guò)表象看本質(zhì),通過(guò)導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,這類問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為其他存在性問(wèn)題.轉(zhuǎn)化與化歸思想是解決很多數(shù)學(xué)問(wèn)題的重要工具,需靈活使用.

一題一思:本題表面看上去是一個(gè)等腰三角形存在性問(wèn)題,但通過(guò)導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,第①類變?yōu)榻谴嬖趩?wèn)題,巧施正切來(lái)處理;第②類變?yōu)榻瞧椒志€的存在性問(wèn)題,巧作雙垂來(lái)解題;第③類變?yōu)榈妊鱋CE的存在性問(wèn)題,借助“三線合一”巧施比.真可謂“問(wèn)山不是山,轉(zhuǎn)化妙無(wú)窮”;

“先定性分析,后定量計(jì)算”是解決此類問(wèn)題的上乘之法.所謂“定性分析”,即為“導(dǎo)角轉(zhuǎn)化”;所謂“定量計(jì)算”,即為“導(dǎo)邊列式”.解題時(shí),莫要著急求邊長(zhǎng),可以先從角的角度進(jìn)行分析,看看能不能轉(zhuǎn)化成其他常規(guī)問(wèn)題.

一題一思:上述三種情形,解法一脈相承,都是狠抓不變角,巧施三角比,設(shè)邊長(zhǎng),寫坐標(biāo),代入簡(jiǎn)析式,順利解題.

本題看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,但通過(guò)導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,演變?yōu)楸硎军c(diǎn)坐標(biāo)問(wèn)題.事實(shí)上,轉(zhuǎn)化的力量遠(yuǎn)不止如此,第③種情形還可演變?yōu)榻堑拇嬖谛詥?wèn)題:

另外,借助相似轉(zhuǎn)化,本題還有以下更為出彩的演變:

如圖15,延長(zhǎng)AD交x軸于點(diǎn)P,易知△ABD∽△POA,要使△ABD為等腰三角形,只需△POA為等腰三角形,“雙動(dòng)點(diǎn)”立馬變?yōu)椤皢蝿?dòng)點(diǎn)”,動(dòng)點(diǎn)個(gè)數(shù)減少,問(wèn)題必然簡(jiǎn)化,只要求出點(diǎn)P的坐標(biāo),利用直線AP與雙曲線聯(lián)立,即可求得交點(diǎn)D的坐標(biāo),下略.

轉(zhuǎn)化何其妙!看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,可以轉(zhuǎn)化為其他存在性問(wèn)題,也可以轉(zhuǎn)化為其他等腰三角形的存在性問(wèn)題.

結(jié)合上述第①類的解答過(guò)程,筆者還想到了反比例函數(shù)的圖像中一個(gè)有趣的小結(jié)論:

這又是聯(lián)想的力量!數(shù)學(xué)何其美妙,只要思考,處處存精彩!

例4.如圖17,在△ABC中,∠C=90°,AC=3,BC=4.點(diǎn)P在線段CB上,以1cm/s的速度從點(diǎn)C向點(diǎn)B運(yùn)動(dòng),連接AP,作PD⊥AP交AB于點(diǎn)D,設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t.

(1)當(dāng)t為何值時(shí),△PDB是等腰三角形;

(2)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,求點(diǎn)D運(yùn)動(dòng)的路徑長(zhǎng).

一題一思:這里的第(1)問(wèn)看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,若能從角的角度,先作定性分析,立知只有一種情形,根本無(wú)需分類.等腰三角形僅僅是一個(gè)幌子,只是提供了導(dǎo)角轉(zhuǎn)移的條件.但現(xiàn)實(shí)中,多數(shù)學(xué)生的第一反應(yīng)是分類,還想表示三邊,結(jié)果只能無(wú)功而返.

第(2)問(wèn),雖與本文關(guān)聯(lián)不大,但也是不可多得的好問(wèn)題.“見(jiàn)直角,取中點(diǎn)”,識(shí)別“SSA”本質(zhì),利用“斜大于直”,列不等式,求最值,從而順利解題.

例5.如圖19,在矩形ABCD中,AD=3,AB=4,P是對(duì)角線AC上一動(dòng)點(diǎn)(不與A、C重合),連接PB,作PE⊥PB,交射線DC于點(diǎn)E.當(dāng)△PCE為等腰三角形時(shí),求AP的長(zhǎng).

一題一思:看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,這里因射線DC導(dǎo)致分兩類的等腰三角形均為鈍角三角形,卻都只有一種可能性,“等腰”依然是個(gè)幌子,僅提供了導(dǎo)角轉(zhuǎn)化的依據(jù).這就是所謂定性分析,它可以大大減少思維成本,簡(jiǎn)化思考過(guò)程,真可謂“情況不明,導(dǎo)角先行”.

例6.如圖22,在扇形OAB中,∠AOB=90°,OA=6,P是弧AB上一點(diǎn)(異于A、B),作PH⊥OA于點(diǎn)H,G為△OPH的重心.當(dāng)△PGH為等腰三角形時(shí),求PH的長(zhǎng).

一題一思:這是一道有關(guān)重心的圓中等腰三角形存在性問(wèn)題,先行導(dǎo)角,可排除一種可能,而剩下的兩種情形中,第①類口算,第②類則結(jié)合方程思想進(jìn)行求解.

例7.如圖24,在矩形ABCD中,AD=3,AB=4,點(diǎn)E在射線DC上,把△ADE沿AE折疊,點(diǎn)D的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為F,連接CF、DF.當(dāng)△CDF為等腰三角形時(shí),求DE的長(zhǎng).

簡(jiǎn)析:(1)由折疊易知AF=AD=3,故點(diǎn)F在以A為圓心,以3為半徑的⊙A上運(yùn)動(dòng)(事實(shí)上,點(diǎn)F在一個(gè)半圓上運(yùn)動(dòng));

當(dāng)△CDF為等腰三角形時(shí),點(diǎn)F必在所謂“兩圓一線”上運(yùn)動(dòng),即分別以點(diǎn)C、D為圓心,以CD為半徑的兩個(gè)圓以及CD的垂直平分線;

如圖25,利用⊙A與所謂的“兩圓一線”找交點(diǎn),即可找到符合條件的點(diǎn)F共有四個(gè);

下面逐一畫(huà)圖、求解:

一題一思:對(duì)于這樣的“兩定一動(dòng)”型等腰三角形存在性問(wèn)題,可利用所謂“兩圓一線”作圖法,先找到需要的點(diǎn),然后分類計(jì)算,方能“不重不漏”.這也是一種重要的軌跡意識(shí),即所謂的“交軌法”.

從上述的解答過(guò)程,可以看出:本題看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,但它僅僅是一個(gè)導(dǎo)角工具,四種情形基本都是利用導(dǎo)角進(jìn)行轉(zhuǎn)化,借助比例實(shí)現(xiàn)口算.

例8.如圖30,已知直線l經(jīng)過(guò)點(diǎn)A(4,0)和點(diǎn)B(0,4),P是x軸上一動(dòng)點(diǎn),連接PB,將線段PB繞點(diǎn)P順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°得到線段PC,直線PC與直線AB交于點(diǎn)Q.在點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,是否存在某一位置,使△PBQ為等腰三角形?若存在,求出點(diǎn)P的坐標(biāo);若不存在,請(qǐng)說(shuō)明理由.

簡(jiǎn)析:(1)畫(huà)圖分析,可知:當(dāng)點(diǎn)P位于點(diǎn)A的左側(cè)時(shí),△PBQ中始終有內(nèi)角∠BPQ=45°,要使△PBQ為等腰三角形,45°可能為其底角,此時(shí)必為等腰直角三角形;45°也可能為其頂角,則另外的兩個(gè)底角均為67.5°;

當(dāng)點(diǎn)P位于點(diǎn)A右側(cè)時(shí),△PBQ中始終有內(nèi)角∠BPQ=135°,要使△PBQ為等腰三角形,135°只能為其頂角,另外的兩個(gè)底角為22.5°;

據(jù)此,本題分以下四種情形依次求解:

一題一思:本題主要難在畫(huà)圖,是否能夠通過(guò)畫(huà)圖找到滿足條件的所有情形,是解題的關(guān)鍵,因此利用鉛筆、直尺、橡皮多畫(huà)圖、多感知,是解決此類動(dòng)態(tài)難題的金鑰匙.拿這題舉例,通過(guò)畫(huà)圖,才能感知到“當(dāng)點(diǎn)P位于點(diǎn)A的左側(cè)時(shí),目標(biāo)△PBQ始終含45°不變角,進(jìn)而以45°角為底角或頂角,繼續(xù)畫(huà)圖找尋符合條件的三種情形;當(dāng)點(diǎn)P位于點(diǎn)A的右側(cè)時(shí),目標(biāo)△PBQ始終含135°不變角,進(jìn)而135°角只能作為頂角,繼續(xù)畫(huà)圖找尋最后那唯一的情形”.畫(huà)圖意識(shí)、分類思想是兩大法寶,需認(rèn)真體會(huì)、感悟.

當(dāng)然,本題一旦通過(guò)畫(huà)圖分類,找到了四種情形,接下來(lái)也僅僅需要導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,基本都可以實(shí)現(xiàn)口算.由此可見(jiàn),看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,難在畫(huà)圖,重在導(dǎo)角??!

一題一思:本題難度較大,區(qū)分度大,思維量高,需要具備足夠的分析能力.

第(2)問(wèn)考查了平移變換.抓住等角,導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,巧施比例,即可獲解;另外,圖形的任何變換(平移、翻折、旋轉(zhuǎn)以及位似等),本質(zhì)都是點(diǎn)的變換——“集體行動(dòng),步調(diào)一致”.因此,這里只利用了點(diǎn)F的平移便求出了平移距離.

第(3)問(wèn)難在畫(huà)出各種旋轉(zhuǎn)后符合題意的圖形,若采取常規(guī)解法,逐一畫(huà)圖解決,難以找全、找準(zhǔn).上述解法有兩大亮點(diǎn):一是相似轉(zhuǎn)化策略,即導(dǎo)角轉(zhuǎn)移,將目標(biāo)△DPQ轉(zhuǎn)化為△QA′B; 二是相對(duì)運(yùn)動(dòng)策略,即動(dòng)靜互化,原來(lái)旋轉(zhuǎn)的△ABF保持不動(dòng),而原來(lái)靜止的直線BD轉(zhuǎn)起來(lái).結(jié)合這兩大策略,原本難以尋找的等腰三角形變成了熟知的“兩定一動(dòng)”型等腰三角形存在性問(wèn)題,借助“兩圓一線”法畫(huà)出圖形,問(wèn)題也就變?yōu)榱恕凹埨匣ⅰ?

此外,本題中還有一個(gè)重要的策略需引起關(guān)注,那就是“不斷地給問(wèn)題換馬甲”,即重新包裝問(wèn)題,不斷地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行“翻譯”,逐步演變?yōu)榕c之等價(jià)的新問(wèn)題,以至于最終成為常規(guī)問(wèn)題,這種核心結(jié)構(gòu)的識(shí)別、提取與翻譯,是解決難題尤其是動(dòng)態(tài)難題的一大絕招.

關(guān)于“相似轉(zhuǎn)化”以及“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”,筆者還聯(lián)想到了下面兩道中考真題:

一題一思:旋轉(zhuǎn)的本質(zhì)是圖形上的每一個(gè)點(diǎn)繞旋轉(zhuǎn)中心在同心圓上作同步運(yùn)動(dòng),故而旋轉(zhuǎn)出隱圓.最后一問(wèn),這里給出了兩種解法,孰優(yōu)孰劣,一比見(jiàn)高下.

在常規(guī)解法中,首先作出點(diǎn)D所在的軌跡圓⊙A,而DE始終為⊙A的切線且DE=3,要使△KDE的面積取最值,只要使DE邊上的高取得最值,其嚴(yán)格的推理過(guò)程如下:

而“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的非常規(guī)解法,讓人眼前一亮,簡(jiǎn)直嘆為觀止.“敵不動(dòng)我動(dòng)”,“山不轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)”,整個(gè)世界都是運(yùn)動(dòng)的,所有運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的.在解題中,若能巧施“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”策略,尤其是在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)問(wèn)題中,譬如多元素在動(dòng)或多個(gè)動(dòng)點(diǎn)在動(dòng),變動(dòng)為靜,化靜為動(dòng),或許就能收到奇效,以至于化繁為簡(jiǎn),化難為易.總之,這是一種重要的解題策略,需引起重視與關(guān)注.

“金豬報(bào)喜”,“十全十美”,再舉一道2019年中考真題:

一題一思:看似一個(gè)普通的等腰三角形存在性問(wèn)題,但因?yàn)樯婕爸本€相交,導(dǎo)致分類復(fù)雜,本題首先難在分類畫(huà)圖上,這需要學(xué)生耐住性子,認(rèn)真畫(huà)圖,圖形越準(zhǔn)確,分析越有利,在鉛筆畫(huà)圖中,逐步接近目標(biāo),慢慢調(diào)整圖形,才有可能找到全部四種情形.

“點(diǎn)D在直線CB上”,第一反應(yīng)就是分類,至少分三大類,即①點(diǎn)D在CB的延長(zhǎng)線上;②點(diǎn)D在CB上;③點(diǎn)D在BC的延長(zhǎng)線上.每種情形下,只要能認(rèn)真規(guī)范畫(huà)圖,就會(huì)立即意識(shí)到,這里的等腰△DFG總是一個(gè)鈍角三角形,這樣就不會(huì)因?yàn)椤暗妊鼏?wèn)題”導(dǎo)致二次分類,故而沒(méi)有想象中的那么復(fù)雜.

另外,本題第四種情形,等腰△DFG的頂點(diǎn)F跑到了直線BC的下方,這種情形特別容易丟掉,無(wú)論是命題人,還是解題人,不靠幾何畫(huà)板等數(shù)學(xué)工具,也是難以發(fā)現(xiàn)的,正如一位浙江的老師說(shuō),這是人腦與電腦之間的PK(浙江酈秀麗老師).

真正在每種情形下認(rèn)真分析題意后,還會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)等腰“不等腰”,也就是說(shuō),這里的等腰三角形僅僅是個(gè)“幌子”,它只是提供兩條腰長(zhǎng)相等而已,每種情形下,都是抓住不變角,巧設(shè)邊長(zhǎng),導(dǎo)邊導(dǎo)比,最后利用基本相似型,或A字型或8字型,列出方程,進(jìn)而得解.換言之,這是一道“假等腰”問(wèn)題,本質(zhì)考的卻是相似計(jì)算.

更要人命的是,即便想到了正確的思路,本題的計(jì)算量也忒大了.答案擺在那,不管用什么方法,計(jì)算量是少不得的,這在有限的考場(chǎng)上,實(shí)屬一個(gè)難以下咽的硬骨頭.筆者建議學(xué)生,能拿幾分是幾分,切勿好高騖遠(yuǎn),急于求成,而應(yīng)穩(wěn)定情緒,戒驕戒躁,把自己能想到的情形考慮到,把自己能夠計(jì)算的結(jié)果算出來(lái),足矣!

若是畫(huà)圖能力不夠,但是有超強(qiáng)的計(jì)算能力,本題還可以采取“暴力計(jì)算”:

理論上,上述代數(shù)解法行得通,但計(jì)算量實(shí)在讓人無(wú)語(yǔ),即便這里采取了一定的巧設(shè)處理,仍寧可放棄,不做“冤大頭”,考場(chǎng)上應(yīng)將節(jié)省下來(lái)的時(shí)間投入到前面的作答中.

中考里,請(qǐng)切記:“不要盲目地迎難而上,而應(yīng)從容地繞道而行”!這樣的答題策略會(huì)讓你得高分,雖然不是滿分;反過(guò)來(lái),一味地想追求滿分,到頭來(lái)可能頭破血流拿低分,得不償失!

轉(zhuǎn)化多奇妙!看似等腰三角形的存在性問(wèn)題,可以轉(zhuǎn)化為角問(wèn)題、角平分線問(wèn)題、全等問(wèn)題、相似問(wèn)題或其他等腰三角形的存在性問(wèn)題等;反過(guò)來(lái),看似其他類存在性問(wèn)題,也可能會(huì)轉(zhuǎn)化為等腰三角形問(wèn)題.

上述很多問(wèn)題的解決都得益于導(dǎo)角分析與相似轉(zhuǎn)化.為體現(xiàn)這兩點(diǎn)的重要性,筆者最后提供一道課堂上與之相關(guān)的好題,以期達(dá)到拋磚引玉之效:

一題一思:第(1)問(wèn),重在兩個(gè)基本相似形的識(shí)別,即斜A字形與母子型相似,然后導(dǎo)邊,利用比例進(jìn)行轉(zhuǎn)化;

(2)看似相似三角形的存在性問(wèn)題,這里先定性分析,推導(dǎo)角的大小關(guān)系,排除多種可能,最后聚焦為唯一的情形,竟轉(zhuǎn)化為了等腰問(wèn)題,再次讓人感嘆轉(zhuǎn)化的神奇與美妙.

以上十道例題與三道引例,讓筆者感嘆如下的解題經(jīng)驗(yàn):遇到難題,情況不明,導(dǎo)角先行,即所謂“先定性分析,后定量計(jì)算”.看似等腰三角形的問(wèn)題,通過(guò)導(dǎo)角轉(zhuǎn)化,可變?yōu)槠渌悊?wèn)題;看似其他類問(wèn)題,借助導(dǎo)角分析,又可能變?yōu)榈妊切螁?wèn)題.總而言之,轉(zhuǎn)化妙無(wú)窮,導(dǎo)角力無(wú)邊!

 看似本文結(jié)尾了,卻又何嘗不是新的開(kāi)始,愿新年里,大家齊飛!


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