内容正文:
专题09 将军饮马模型-最短路径问题全攻略
目录
【知识点归纳】 1
【模型一、两定一动】 2
【模型二、两定两动】 2
【模型三、三动点】 3
【模型四、拼接三角形构造全等】 4
【课后练习】 5
【知识点归纳】
将军饮马模型:定点关于定直线对称转化为两点之间线段最短求最值.
①两定一动
②一定两动
③两定两动
【模型一、两定一动】
例.已知,点为射线上一点,点为的中点,且.当点在射线上运动时 ,则与和的最小值为 .
变式1.如图,等边三角形的边长为4,过点的直线,且与关于直线对称,为线段上一动点,则的最小值为 .
变式2.如图,在中,,,以BC为边在BC的右侧作等边,点E为BD的中点,点P为CE上一动点,连结AP,BP.当的值最小时,的度数为 .
【模型二、两定两动】
例.如图,在中,,,,,如果点D,E分别为,上的动点,那么的最小值是( )
A.8.4 B.9.6 C.10 D.10.8
变式1.如图,四边形ABCD中,∠BAD=121°,∠B=∠D=90°,在BC、CD上分别找到一点M、N,使△AMN周长最小时,则∠AMN+∠ANM的度数为( )
A.118° B.121° C.120° D.119°
变式2.在四边形中,,, ,,在、上分别找一点、,使得的周长最小,求周长的最小值.
【模型三、三动点】
例.如图,中,分别是边上的动点,则的周长的最小值是( )
A.2.5 B.3.5 C.4.8 D.6
变式1.如图,锐角中,,,的面积是,D,E,F分别是三边上的动点,则周长的最小值是 .
变式2.如图,已知,平分,,在上,在上,在上.当取最小值时,此时的度数为( )
A. B. C. D.
【模型四、拼接三角形构造全等】
例.如图,等腰中,,当的值最小时,的面积( )
A. B. C. D.
变式1.如图,在三角形中,,,于D,M,N分别是线段,上的动点,,当最小时, .
变式2.如图,在矩形中,,点E、F分别是边AD、BC上的动点,且,当取得最小值时,AE的长为 .
【课后练习】
1.如图,在等边△ABC中,BF是AC边上的中线,点D在BF上,连接AD,在AD的右侧作等边△ADE,连接EF,当△AEF周长最小时,∠CFE的大小是( )
A.30° B.45° C.60° D.90°
2.如图,∠AOB=60°,点P是∠AOB内的定点且OP=4,若点M、N分别是射线OA、OB上异于点O的动点,则△PMN周长的最小值是 .
3.如图,在锐角三角形中,,的面积为7,平分,若M,N分别是,上的动点,则的最小值为 .
4.如图,,点,分别是边,上的定点,点,分别是边,上的动点,记,,当最小时,则与的数量关系为 .
5.如图,在中,,,,点P,D分别为,上的动点,则的最小值是 .
6.综合与探究
如图1,已知直线交轴于点,交轴于点,直线交x轴于点,交y轴于点D,交直线于点E.
(1)求点A的坐标;
(2)若点B为线段的中点,求;
(3)在(2)的条件下,若点在直线上,是平面内一点,是否存在以A,E,M,N为顶点的正方形?若存在,求出所有满足条件的N点坐标;若不存在,请说明理由.
(4)如图2,已知,将线段绕点P逆时针方向旋转至,连接,,则的最小值是__________.
7.在等边中,点D是直线上的一个点(不与点B、C重合),以为边在右侧作等边,连接.
【观察猜想】(1)如图1,当点D在线段上时,则线段与线段的数量关系为______.
【数学思考】(2)如图2,当点D在线段的延长线上时,猜想三条线段、与的数量关系,并加以证明.
【方法感悟】在解决问题时,条件中若出现有公共顶点的两个等边三角形时,常常考虑旋转某个三角形,从而使问题得到解决.
【拓展延伸】(3)如图3,边长为a的等边中,是中线,且,点D在上,连接,在的右侧作等边,连接,请直接写出周长的最小值.
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专题09 将军饮马模型-最短路径问题全攻略
目录
【知识点归纳】 1
【模型一、两定一动】 2
【模型二、两定两动】 5
【模型三、三动点】 8
【模型四、拼接三角形构造全等】 12
【课后练习】 16
【知识点归纳】
将军饮马模型:定点关于定直线对称转化为两点之间线段最短求最值.
①两定一动
②一定两动
③两定两动
【模型一、两定一动】
例.已知,点为射线上一点,点为的中点,且.当点在射线上运动时 ,则与和的最小值为 .
【答案】
【分析】作点D关于OA的对称点D′,连接CD′交OA于点P′,连接DP,,根据轴对称的性质得到P′D′=P′D,此时DP′+CP′=CD′即为PC+PD的最小值,根据已知条件计算求出结果即可.
【详解】解:作点D关于OA的对称点D′,连接CD′交OA于点P′,连接DP′,根据轴对称的性质得到P′D′=P′D,此时DP′+CP′=CD′即为PC+PD的最小值.
设DD′与OA交于点E,
∵∠O=30°,OD=3,由对称性可知∠DEO=90°,
∴∠ODE=60°,DE=OD=,
∴DD′=2DE=3,∴DD′=CD,
∴∠D′=∠DCD′=∠ODE=30°,∴∠EDP′=∠D′=30°,
∴∠ODP′=∠ODE+∠EDP′=90°,
∴在Rt△ODP′中,∠O=30°,OD=3,∴DP′=
∴CP′=2DP′=2
∴DP′+CP′=3
故与和的最小值为3
【点睛】本题考查了轴对称-最短路线问题,两点之间线段最短的性质.得出动点所在的位置是解题的关键.
变式1.如图,等边三角形的边长为4,过点的直线,且与关于直线对称,为线段上一动点,则的最小值为 .
【答案】8
【分析】连接,由轴对称的性质可得也是边长为4的等边三角形,从而得到,,从而得到,证明得到,从而得到,由“两点之间,线段最短”可知,当与点重合,即点,共线时,取得最小值,即可得到答案.
【详解】解:如图,连接,
,
等边三角形的边长为4,
,,
与关于直线对称,
也是边长为4的等边三角形,
,,
,
在和中,,,,
,,,
由“两点之间,线段最短”可知,当与点重合,即点,共线时,取得最小值,,的最小值为8,
故答案为:8.
【点睛】本题考查了轴对称的性质、等边三角形的性质、三角形全等的判定与性质、两点之间,线段最短等知识点,熟练掌握以上知识点,添加适当的辅助线,是解题的关键.
变式2.如图,在中,,,以BC为边在BC的右侧作等边,点E为BD的中点,点P为CE上一动点,连结AP,BP.当的值最小时,的度数为 .
【答案】15°
【分析】连接PD、AD,设AD与CE交于点P1,利用等边三角形的性质证得∠CBD=∠BCD=∠BDC=60°,PD=BP,根据两点之间线段最短得出当点A、P、D共线时即点P运动到P1时,AP+BP有最小值,连接BP1,根据等边对等角证得∠CBP1=∠CDP1=∠CAD,再根据三角形的外角性质即可求解.
【详解】解:连接PD、AD,设AD与CE交于点P1,
∵△BCD是等边三角形,点E为BC的中点,
∴∠CBD=∠BCD=∠BDC=60°,BC=CD,CE⊥BD,BE=DE,
∴CE为线段BD的垂直平分线,
∴PD=BP,
∴当点P运动时,AP+BP=AP+PD,而AP+PD≥AD,
∴当点A、P、D共线时即点P运动到P1时,AP+BP有最小值,
连接BP1,则BP1=DP1,
∴∠P1BD=∠P1DB,又∠CBD=∠BDC,
∴∠CBP1=∠CDP1,
∵AC=BC=CD,
∴∠CDP1=∠CAD,即
延长AC至Q,
∵∠ACB=90°,∠BCD=60°,
∴∠DCQ=90°﹣60°=30°,又∠DCQ=∠CDP1+∠CAD=2∠CDP1,
∴∠CDP1=15°,即∠CBP1=15°,
∴当的值最小时,=15°,
故答案为:15°.
【点睛】本题考查等边三角形的性质、线段垂直平分线的性质、最短路径问题、等腰三角形的性质、三角形的外角性质,熟练掌握相关性质的联系与运用,会利用两点之间线段最短解决最值问题是解答的关键.
【模型二、两定两动】
例.如图,在中,,,,,如果点D,E分别为,上的动点,那么的最小值是( )
A.8.4 B.9.6 C.10 D.10.8
【答案】B
【分析】如图所示,作点A关于的对称点,连接,,,则,,故,由此推出当、D、E三点共线时,,最小值即为的长,当最小时,即满足,故根据三角形的面积即可求得的最小值.
【详解】解:作点A关于的对称点,作点,交于点D,连接,如图:
则,
∴.
即的最小值为.
∵,,,,
∴,
∵,
∴,
即的最小值为9.6.
故选:B.
【点睛】此题考查了轴对称最短路径问题,垂线段的性质,根据三角形的面积求高等,熟练掌握以上性质是解本题的关键.
变式1.如图,四边形ABCD中,∠BAD=121°,∠B=∠D=90°,在BC、CD上分别找到一点M、N,使△AMN周长最小时,则∠AMN+∠ANM的度数为( )
A.118° B.121° C.120° D.119°
【答案】A
【分析】如图,作A关于和的对称点,,连接,交于M,交于N,则的长度即为周长的最小值.根据,得出.根据,,且,,可得,即可求出答案.
【详解】如图,作A关于和的对称点,,连接,交于M,交于N,
根据对称的性质有:,,
∴周长的为.
当点、、M、N四点共线时,的值最小,且最小为,
则的长度即为周长的最小值.
∵,
∴.
∵,,且,,
∴.
故选:A.
【点睛】本题考查最短路线问题,三角形内角和定理和三角形外角的定义等知识,利用轴对称的性质确定M、N的位置是解题的关键.考查化归与转化思想、数形结合思想,是中档题.
变式2.在四边形中,,, ,,在、上分别找一点、,使得的周长最小,求周长的最小值.
【答案】
【分析】本题考查对称的性质和勾股定理,根据两点间线段最短找到的周长最小的情况是本题解题的关键.作关于的对称点,关于的对称点,连接、,与、分别交于、,找到的周长最小的情况.再过作延长线的垂线,交延长线于点,利用勾股定理求出,即的周长的最小值.
【详解】如图所示,作关于的对称点,关于的对称点,连接、,与、分别交于、,则此时的周长最小.
证明如下:作关于的对称点,关于的对称点,
,,
,
两点之间线段最短
的周长最小,.
作延长线的垂线,交延长线于点,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
在中,,
.
【模型三、三动点】
例.如图,中,分别是边上的动点,则的周长的最小值是( )
A.2.5 B.3.5 C.4.8 D.6
【答案】C
【分析】如图作关于直线的对称点,作关于直线的对称点,连接,,,,,,.由,,,推出,可得、、共线,由,,可知当、、、共线时,且时,的值最小,最小值,求出的值即可解决问题.
【详解】解:如图,作关于直线的对称点,作关于直线的对称点,连接,,,,,,.
∴,,,,
∴,
∵,,,
∴,∴M、C、N共线,
∵,
∵,
∴当M、F、E、N共线时,且时,的值最小,
最小值为,
∵,∴,∴,
∴的最小值为.
故选:C.
【点睛】本题考查了轴对称-最短问题、两点之间线段最短、垂线段最短等知识,解题的关键是灵活运用轴对称以及垂线段最短解决最短问题,属于中考选择题中的压轴题.
变式1.如图,锐角中,,,的面积是,D,E,F分别是三边上的动点,则周长的最小值是 .
【答案】
【分析】作于,作关于和的对称点和,连接交于,交于,则,求得即可;
【详解】解:如图2,作于,作关于和的对称点和,
连接交于,交于,
由对称性得,
,,
,,,,
,即△DEF周长的最小值是GH的长,
,
,
是正三角形,
,
,
,
,
,
的周长的最小值是;
故答案为:
【点睛】本题考查了轴对称的性质,等边三角形的判定和性质,解决问题的关键是运用“将军饮马”模型和将问题转化为AD的最值问题.
变式2.如图,已知,平分,,在上,在上,在上.当取最小值时,此时的度数为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【分析】作点关于的对称点,作点关于的对称点,连接、、、、,则由轴对称知识可知,所以依据垂线段最短知:当在一条直线上,且时,取最小值,根据直角三角形的两锐角互余及三角形外角的性质可以求出.
【详解】解:∵,平分,
∴,
作点关于的对称点,作点关于的对称点,
连接、、、、,
则,,,,,
∴,,,,
当在一条直线上,且时,取最小值,
∴,
∴,
∴,
∴,
故选:D.
【点睛】本题考查了最短路径问题,等腰三角形等边对等角,直角三角形的两锐角互余,三角形外角的性质,垂线段最短,通过作对称点化折为直是解题的关键.
【模型四、拼接三角形构造全等】
例.如图,等腰中,,当的值最小时,的面积( )
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】过点作,使,连接,证明,根据全等三角形的性质得,则,连接交于,在中,由三角形三边关系可得,则、、三点共线时,的值最小,即的值最小,证明,根据全等三角形的性质得,过点作于,根据含角的直角三角形的性质求出,利用三角形的面积公式即可求解.
【详解】解:过点作,使,连接,
∵,
,
,,
,
,
在和中,
,
,
,
,
连接交于,
在中,由三角形三边关系可得,则、、三点共线时,的值最小,即的值最小,
∵,
,
在和中,
,
,
,
过点作于,
,
,
的面积为.
故选:C.
【点睛】本题考查全等三角形的判定和性质、等腰三角形的性质、直角三角形的性质、三角形的三边关系、最短距离问题、三角形的面积、平行线的性质等知识,解题的关键是学会添加常用辅助线,构造全等三角形解决问题.
变式1.如图,在三角形中,,,于D,M,N分别是线段,上的动点,,当最小时, .
【答案】
【分析】在下方作,使,连接,则最小值为,此时A、N、三点在同一直线上,推出,所以,即可得到.
【详解】解:在下方作,使,连接.
则,.
∴,
即最小值为,此时A、N、三点在同一直线上.
∵,,
∴,
∵,
∴,
∴,
∴,
∴,
∴,
∴,
故答案为:.
【点睛】本题考查了最短路线问题以及等腰三角形的性质的运用,凡是涉及最短距离的问题,一般要考虑线段的性质定理,结合轴对称变换来解决,多数情况要作点关于某直线的对称点.
变式2.如图,在矩形中,,点E、F分别是边AD、BC上的动点,且,当取得最小值时,AE的长为 .
【答案】
【分析】作,点关于的对称点,过点作的平行线,过点作的平行线,由矩形,,,得到,,,根据对称的性质得到,由,得到,由是平行四边形,得到,,进而得到,由,点到当点在点时,取得最小值,长即为所求,由,求出,由为梯形的中位线,求出,根据,即可求解,
本题考查了,矩形的性质,平行四边形的性质与判定,全等三角形的性质与判定,特殊角三角函数,梯形的中位线,解题的关键是:通过对称、平移找到.
【详解】解:过点作,垂足为,作点关于的对称点,连接,过点作的平行线,过点作的平行线,交于点,连接与交于点,
∵矩形,,,
∴,,,
∵、关于对称,∴,
又∵,∴,∴,
∵,,∴是平行四边形,
∴,,∴,∴,
在中,
∴当点在点时,取得最小值,长即为所求,
∵,,∴,∴,
∴,
∵为中点,,
∴为梯形的中位线,
∴,
∴,
故答案为:.
【课后练习】
1.如图,在等边△ABC中,BF是AC边上的中线,点D在BF上,连接AD,在AD的右侧作等边△ADE,连接EF,当△AEF周长最小时,∠CFE的大小是( )
A.30° B.45° C.60° D.90°
【答案】D
【分析】首先证明点E在射线CE上运动(∠ACE=30°),因为AF为定值,所以当AE+EF最小时,△AEF的周长最小,作点A关于直线CE的对称点M,连接FM交CE 于E′,此时AE′+FE′的值最小,根据等边三角形的判定和性质即可求出∠CFE的大小.
【详解】解:∵△ABC,△ADE都是等边三角形,
∴AB=AC,AD=AE,∠BAC=∠DAE=∠ABC=60°,
∴∠BAD=∠CAE,
∴△BAD≌△CAE,
∴∠ABD=∠ACE,
∵AF=CF,
∴∠ABD=∠CBD=∠ACE=30°,
∴点E在射线CE上运动(∠ACE=30°),
作点A关于直线CE的对称点M,连接FM交CE 于E′,此时AE′+FE′的值最小,
∵CA=CM,∠ACM=60°,∴△ACM是等边三角形,
∵AF=CF,∴FM⊥AC,∴∠CFE′=90°,故选D.
【点睛】本题考查轴对称——最短距离问题、等边三角形的性质和判定,全等三角形的判定和性质等知识,解题的关键是证明点E在射线CE上运动(∠ACE=30°),本题难度比较大,属于中考选择题中的压轴题.
2.如图,∠AOB=60°,点P是∠AOB内的定点且OP=4,若点M、N分别是射线OA、OB上异于点O的动点,则△PMN周长的最小值是 .
【答案】
【分析】作P点分别关于OA、OB的对称点C、D,连接CD分别交OA、OB于M、N,如图,利用轴对称的性质得MP=MC,NP=ND,OP=OD=OC=4,∠BOP=∠BOD,∠AOP=∠AOC,所以∠COD=2∠AOB=120°,利用两点之间线段最短判断此时△PMN周长最小,作OH⊥CD于H,则CH=DH,然后利用含30度的直角三角形三边的关系计算出OH即可得出结论.
【详解】解:作P点分别关于OA、OB的对称点C、D,连接CD分别交OA、OB于M、N,如图,
则MP=MC,NP=ND,OP=OD=OC=4,
∠BOP=∠BOD,∠AOP=∠AOC,
∴PN+PM+MN=ND+MN+MC=DC,
∠COD=∠BOP+∠BOD+∠AOP+∠AOC=2∠AOB=120°,
∴此时△PMN周长最小,
作OH⊥CD于H,则CH=DH,
∵∠OCH=30°,∴OH=OC=2,
CH=OH=2,∴CD=2CH=.∴△PMN周长的最小值是
故答案为:.
【点睛】本题考查了轴对称-最短路线问题:熟练掌握轴对称的性质,会利用两点之间线段最短解决路径最短问题.
3.如图,在锐角三角形中,,的面积为7,平分,若M,N分别是,上的动点,则的最小值为 .
【答案】
【分析】本题考查角平分线的轴对称性、最短路径问题,先过C作于H,根据角平分线的轴对称性,可作N关于对称点,连接,则,由得当C、M、共线且时,取等号,此时值最小,最小值为的值,利用三角形的面积公式求得,进而可求解.
【详解】解:∵平分,如图,过C作于H,作N关于对称点,
∴在上,
连接,则,当C、M、共线且时,取等号,此时值最小,最小值为的值,
∵在锐角三角形中,,的面积为7,
∴,
∴ ,
即的最小值为,
故答案为:.
4.如图,,点,分别是边,上的定点,点,分别是边,上的动点,记,,当最小时,则与的数量关系为 .
【答案】
【分析】本题考查轴对称—最短问题、三角形的内角和定理.三角形的外角的性质等知识,解题的关键是灵活运用所学知识解决问题.
作关于的对称点,关于的对称点,连接交于,交于,则最小,易知,,根据三角形的外角的性质和平角的定义即可得到结论.
【详解】解:如图,作关于的对称点,关于的对称点,连接交于,交于,则最小,
,,
,
,
故答案为:.
5.如图,在中,,,,点P,D分别为,上的动点,则的最小值是 .
【答案】4
【分析】作点A关于的对称点,过点作于点D,交于点P,连接,此时的值最小,且的长度就是的最小值.可证为等边三角形,即可求解.
【详解】解:如图,作点A关于的对称点,过点作于点D,交于点P,连接,此时的值最小,且的长度就是的最小值.
是的垂直平分线,
,,
,,
,
为等边三角形.
又与均为等边三角形的高,
,
,
的最小值是4.
故答案为:4.
【点睛】本题考查了线段和最小值的典型问题,线段垂直平分线的性质,等边三角形的判定及性质,掌握解法是解题的关键.
6.综合与探究
如图1,已知直线交轴于点,交轴于点,直线交x轴于点,交y轴于点D,交直线于点E.
(1)求点A的坐标;
(2)若点B为线段的中点,求;
(3)在(2)的条件下,若点在直线上,是平面内一点,是否存在以A,E,M,N为顶点的正方形?若存在,求出所有满足条件的N点坐标;若不存在,请说明理由.
(4)如图2,已知,将线段绕点P逆时针方向旋转至,连接,,则的最小值是__________.
【答案】(1)
(2)100
(3)存在、.
(4)
【分析】(1)令解方程得出,即可得解,
(2)如图,作轴于H,轴于K,先用含n的代数式表示出点E的坐标,将E的坐标代入得出n值,进而即可得解;
(3)先证为等腰直角三角形,分以A,E,M,N为顶点的正方形,共有两种情况讨论即可得解;
(4)先确定F点的运动轨迹,然后作A点关于直线的对称点,连,得出最小值即为的长,求出的长即可得解;
【详解】(1)令得,
解得,
∴;
(2)如图,作轴于H,轴于K,
设,
令得,
∴,
∵点B为线段的中点,
∴,
在和中,
,
∴,
∴,,
∴,,
将,代入得: ,
∴,
∴直线,
令得,
解得,
∴,
∴,,
∴;
(3)存在,理由如下:
由(2)知,,
∴,
∴,
∴,,
∴,,
又∵,
∴和都为等腰直角三角形,
∴,
∴,
∴为等腰直角三角形,
∴以A,E,M,N为顶点的正方形,共有下列两种情况,①如图所示,过作轴交x轴于点F,
∵,
∴,
∴,
∵,,
∴,
∴,,
∴,
∴;
②如图所示,
∵四边形为正方形,
∴点E和点N关于x轴对轴,,
∴;
(4)如图所示,过点F作轴交x轴于点G,
∵线段绕点P逆时针方向旋转至,
∴,,
∴,
∵,
∴,
∵,
∴,
∴,,
∴,
∴F点在直线上运动,
∴令得,,令得,
∴,,
作A点关于直线的对称点,连,
∵,,,
∴,,
∴,
∴线段过点R,
∴,
∴,
∵
∴,
∴,即
∴,
∵,
∴最小值即为的长,
∴,
故答案为:.
【点睛】本题主要考查了一次函数的图象和性质,全等三角形的判定和性质,等腰直角三角形的判定和性质,三角形的三边关系,正方形的性质,最短距离问题,勾股定理等知识点,熟练掌握其性质,合理作出辅助线是解决此题的关键.
7.在等边中,点D是直线上的一个点(不与点B、C重合),以为边在右侧作等边,连接.
【观察猜想】(1)如图1,当点D在线段上时,则线段与线段的数量关系为______.
【数学思考】(2)如图2,当点D在线段的延长线上时,猜想三条线段、与的数量关系,并加以证明.
【方法感悟】在解决问题时,条件中若出现有公共顶点的两个等边三角形时,常常考虑旋转某个三角形,从而使问题得到解决.
【拓展延伸】(3)如图3,边长为a的等边中,是中线,且,点D在上,连接,在的右侧作等边,连接,请直接写出周长的最小值.
【答案】(1) (2),理由见解析 (3)
【分析】本题考查了全等三角形的判定与性质、等边三角形判定与性质、最短路径问题:
(1)由等边三角形的性质可得,,,推出,进而根据“SAS”证得,由全等三角形对应边相等即可得出结论;
(2)证明,结合全等三角形的性质,利用线段的和差关系即可得出结论;
(3)证明,由全等三角形的性质得,进而根据等边三角形的性质可得,点E在射线上运动,作点A关于直线的对称点M,连接交于,当点运动到点时,周长的最小,再根据线段的和差关系,即可得到答案.
【详解】(1)证明:,都是等边三角形,
,,,
,
,
在和中,
,
,
.
故答案为:;
(2)解:.
证明:与都是等边三角形,
,,,
.
即.
在和中,
,
.
,
.
(3)解:如图,连接,
,都是等边三角形,
,,,
,
,
,
,
等边中,是中线,且,
,,,
点E在射线上运动(),
作点A关于直线的对称点M,连接交于,当点运动到点时,周长的最小,
,,
是等边三角形,
,
,
,
周长的最小值.
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