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模型研究 | 最值系列之“阿氏圓”問題

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正文如下:

在前面的“胡不歸”問題中,我們見識了“kPA+PB”最值問題,其中P點軌跡是直線,而當P點軌跡變?yōu)閳A時,即通常我們所說的“阿氏圓”問題.
所謂“阿氏圓”,是指由古希臘數(shù)學家阿波羅尼奧斯提出的圓的概念,在平面內(nèi),到兩個定點距離之比等于定值(不為1)的點的集合叫做圓.
如下圖,已知A、B兩點,點P滿足PA:PB=k(k≠1),則滿足條件的所有的點P構成的圖形為圓.
以下給出兩種證明

法一:構造角分線

先復習兩個定理

(1)角平分線定理:如圖,在△ABC中,AD是∠BAC的角平分線,則AB:AC=DB:DC.

證明:利用等積法

,

即AB:AC=DB:DC

(2)外角平分線定理:如圖,在△ABC中,外角CAE的角平分線AD交BC的延長線于點D,則AB:AC=DB:DC.

證明:在BA延長線上取點E使得AE=AC,連接BD,則△ACD≌△AED(SAS),CD=ED且AD平分∠BDE,則DB:DE=AB:AE,即AB:AC=DB:DC.
接下來開始證明:
如圖,PA:PB=k,作∠APB的角平分線交AB于M點,根據(jù)角平分線定理,MA:MB=PA:PB=k,故M點為定點,即∠APB的角平分線交AB于定點;
作∠APB外角平分線交直線AB于N點,根據(jù)外角平分線定理,NA:NB=PA:PB=k,故N點為定點,即∠APB外角平分線交直線AB于定點;
又∠MPN=90°,定邊對定角,故P點軌跡是以MN為直徑的圓.

法二:建系

不妨將點A、B兩點置于x軸上且關于原點對稱,設A(-m,0),則B(m,0),設P(x,y),PA=kPB,即:

解析式滿足圓的一般方程,故P點所構成的圖形是圓,且圓心與AB共線.

那么這個玩意和最值有什么關系呢?
且來先看個例子:

引例

如圖,在Rt△ABC中,∠C=90°,AC=4,BC=3,以點C為圓心,2為半徑作圓C,分別交AC、BC于D、E兩點,點P是圓C上一個動點,則1/2PA+PB的最小值為______.

【分析】這個問題最大的難點在于轉(zhuǎn)化1/2PA,此處P點軌跡是圓,故轉(zhuǎn)化方法與之前有所不同,如下,提供兩種思路.

法一:構造相似三角形

注意到圓C半徑為2,CA=4,連接CP,構造包含線段AP的△CPA,在CA邊上取點M使得CM=2,連接PM,可得△CPA∽△CMP,故PA:PM=2:1,即PM=1/2PA.

問題轉(zhuǎn)化為PM+PB最小值,直接連BM即可.

【問題剖析】
(1)這里為什么是1/2PA?
答:因為圓C半徑為2,CA=4,比值是1:2,所以構造的是1/2PA,也只能構造1/2PA.
(2)如果問題設計為PA+kPB最小值,k為多少?
答:根據(jù)圓C半徑與CB之比為2:3,k應為2/3.
【小結(jié)】此類問題都是構造好的圖形搭配恰當?shù)谋壤瑯嬙煜嗨妻D(zhuǎn)化線段即可解決.
劃重點

法二:阿氏圓模型

對比一下這個題目的條件,P點軌跡是圓,A是定點,我們需要找出另一個定點M使得PM:PA=1:2,這不就是把“阿氏圓”的條件與結(jié)論互換了一下嘛!

而且這種問題里,給定的圓的位置、定點A的位置、線段的比例等,往往都是搭配好的!

P點軌跡圓的圓心C點和A點在直線AC上,故所求M點在AC邊上,考慮到PM:PA=1:2,不妨讓P點與D點重合,此時DM=1/2DA=1,即可確定M點位置.

如果對這個結(jié)果不是很放心,不妨再取個特殊的位置檢驗一下,如下圖,此時PM=3,PA=6,亦滿足PM:PA=1:2.

【小結(jié)】法二其實是開了上帝視角,在已知其是阿氏圓的前提下,通過特殊點找出所求M點位置,雖不夠嚴謹,卻很實用.

練習1

如圖,在△ABC中,∠ACB=90°,BC=12,AC=9,以點C為圓心,6為半徑的圓上有一個動點D.連接ADBD、CD,則2AD+3BD的最小值是______.

【分析】首先對問題作變式2AD+3BD=3(2/3AD+BD),故求2/3AD+BD最小值即可.

考慮到D點軌跡是圓,A是定點,且要求構造2/3AD,條件已經(jīng)足夠明顯.

當D點運動到AC邊時,DA=3,此時在線段CD上取點M使得DM=2,則在點D運動過程中,始終存在DM=2/3DA.

問題轉(zhuǎn)化為DM+DB的最小值,直接連接BM,BM長度的3倍即為本題答案.

練習2

如圖,已知正方ABCD的邊長為4,圓B的半徑為2,點P圓B上的一個動點,則PD-1/2PC的最大值為_______.
【分析】當P點運動到BC邊上時,此時PC=2,根據(jù)題意要求構造1/2PC,在BC上取M使得此時PM=1,則在點P運動的任意時刻,均有PM=1/2PC,從而將問題轉(zhuǎn)化為求PD-PM的最大值.
連接PD,對于△PDM,PD-PM<DM,故當D、M、P共線時,PD-PM=DM為最大值.

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