古代哲学家老子曾说过:"道生一,一生二,二生三,三生万物."若要深刻认识数学中的一般性问题,为何不是从"一"开始?这时的"一"当为事物的特殊性.
从特殊到一般的思想表现在:从简单情形去认识复杂事物,能使抽象的数学命题变的具体而简单,由简单情形作为起点,犹如一面镜子,可为一般情形提供对比,在对比中解决问题,在变化中把握趋势,在特殊中窥见一般,从而破解难题,甚至产生伟大的发现!这个貌似平凡却威力不小的方法,正是来源于"特殊"和"一般"之间的特殊的关系.
1.某班级在探究"将军饮马问题"时抽象出数学模型:
直线l同旁有两个定点A、B,在直线l上存在点P,使得PA+PB的值最小.解法:如图1,作点A关于直线l的对称点A′,连接A′B,则A′B与直线l的交点即为P,且PA+PB的最小值为A′B.
请利用上述模型解决下列问题:
(1)几何应用:如图2,△ABC中,∠C=90°,AC=BC=2,E是AB的中点,P是BC边上的一动点,则PA+PE的最小值为_____;
(3)几何拓展:如图3,△ABC中,AC=2,∠A=30°,若在AB、AC上各取一点M、N使CM+MN的值最小,最小值是_____.
【解析】(1)如图2,作点E关于直线BC的对称点E′,连接E′A,则E′A与直线BC的交点即为P,且PA+PE的最小值为E′A,
作E′F⊥AC交AC的延长线于F,由题意得,E′F=1,AF=3,
∴所求代数式的最小值是5;
(3)如图3,作点C关于直线AB的对称点C′,作C′N⊥AC于N交AB于M,连接AC′,则C′A=CA=2,∠C′AB=∠CAB=30°,
∴△C′AC为等边三角形,
∴CM+MN的最小值为C′N=√3,故答案为:√3.
2.阅读理解:
【问题情境】钱老师给"数学小达人"小明和小军提出这样一个问题:如图1,△ABC中,∠B=2∠C,AD是∠BAC的平分线.求证:AB+BD=AC;
【证明思路】小明的证明思路是:如图2,在AC上截取AE=AB,连接DE.……
小军的证明思路是:如图3,延长CB至点E,使BE=AB,连接AE.可以证得:AE=DE.……
请你从他们的思路中,任意选择一种思路继续完成下一步的证明;
【变式探究】如图4,金老师把"AD是∠BAC的平分线"改成"AD是BC边上的高",其它条件不变,那么AB+BD=AC还成立吗?若成立,请证明;若不成立,写出正确结论,并说明理由;
【解析】【证明思路】
小明的证明思路是:如图2,在AC上截取AE=AB,连接DE.
∵AD是∠BAC的平分线,∴∠BAD=∠EAD.
在△ABD和△AED中,AB=AE, ∠BAD=∠EAD,AD=AD.
∴△ABD≌△AED(SAS),
∴BD=DE,∠ABD=∠AED,
∵∠AED=∠EDC+∠C,∠B=2∠C,
∴∠EDC=∠C,∴DE=EC,即AB+BD=AC;
小军的证明思路是:如图3,延长CB至点E,使BE=AB,连接AE.
∴∠E=∠BAE.
∵∠ABC=∠E+∠BAE,∴∠ABC=2∠E.
∵∠ABC=2∠C,∴∠E=∠C,
∴△AEC是等腰三角形.
∵AD是∠BAC的平分线,∴∠BAD=∠DAC.
∵∠ADE=∠DAC+∠C,∠DAE=∠BAD+∠BAE
∴∠ADE=∠DAE,∴EA=ED=AC,
∴AB+BD=ED=AE=AC;
【变式探究】
AB+BD=AC不成立,正确结论:AB+BD=CD;
理由:如图4,在CD上截取DE=DB,连结AE,
∵AD⊥BC,∴AD是BE的中垂线,
∴AE=AB,∴∠B=∠AED.
∵∠AED=∠C+∠CAE,且∠B=2∠C,
∴∠C=∠CAE,∴AE=EC,∴AE=EC=AB
∴AB+BD=CE+DE=CD;
【迁移拓展】
证明:如图5,过点A作AD⊥BC于D.由勾股定理得:AB2=BD2+AD2,AC2=CD2+AD2,
∴AC²﹣AB²=CD²﹣BD²=(CD+BD)(CD﹣BD)=BC(CD﹣BD)
∵AB+BD=CD,∴CD﹣BD=AB,
∴AC²﹣AB²=BC(CD﹣BD)=BC×AB,
3.我们可以通过类比联想,引申拓展研究典型题目,可达到解一题知一类的目的,下面是一个案例,请补充完整
原题:如图1,点E、F分别在正方形ABCD的边BC、CD上,∠EAF=45°,连接EF,则EF=BE+DF,试说明理由.
(1)思路梳理
∵AB=AD,
∴把△ABE绕点A逆时针旋转90°至△ADG,可使AB与AD重合.
∵∠ADC=∠B=90°,
∴∠FDG=180°,点F、D、G共线.
根据_____,易证△AFE≌____,得EF=BE+DF.
(2)类比引申
如图2,四边形ABCD中,AB=AD,∠BAD=90°,点E、F分别在边BC、CD上,∠EAF=45°.若∠B、∠D都不是直角,则当∠B与∠D满足等量关系____时,仍有EF=BE+DF.
(3)联想拓展
如图3,在△ABC中,∠BAC=90°,AB=AC,点D、E均在边BC上,且∠DAE=45°.猜想BD、DE、EC应满足的等量关系,并写出推理过程.
【解析】(1)思路梳理
∵AB=AD,
∴把△ABE绕点A逆时针旋转90°至△ADG,可使AB与AD重合,如图1,
∵∠ADC=∠B=90°,
∴∠FDG=180°,点F、D、G共线,
则∠DAG=∠BAE,AE=AG,BE=DG,
∠FAG=∠FAD+∠GAD=∠FAD+∠BAE=90°﹣45°=45°=∠EAF,
即∠EAF=∠FAG,
在△EAF和△GAF中,AF=AF, ∠EAF=∠FAG,,AE=AG,
∴△AFG≌△AFE(SAS),
∴EF=FG=DG+DF=BE+DF;
故答案为:SAS;△AFG;
(2)类比引申
∠B+∠ADC=180°时,EF=BE+DF;理由如下:
∵AB=AD,
∴把△ABE绕点A逆时针旋转90°至△ADG,可使AB与AD重合,如图2所示:
∴∠BAE=∠DAG,BE=DG,
∵∠BAD=90°,∠EAF=45°,
∴∠BAE+∠DAF=45°,∴∠EAF=∠FAG,
∵∠ADC+∠B=180°,
∴∠FDG=180°,点F、D、G共线,
在△AFE和△AFG中,AE=AG, ∠EAF=∠FAG,AF=AF,
∴△AFE≌△AFG(SAS),∴EF=FG,
∵FG=DG+DF,∴EF=BE+DF,
故答案为:∠B+∠ADC=180°;
(3)联想拓展
猜想:DE2=BD2+EC2.理由如下:
把△ACE绕点A逆时针旋转90°到ABF的位置,连接DF,如图3所示:
则△ABF≌△ACE,∠FAE=90°,
∴∠FAB=∠CAE.BF=CE,∠ABF=∠C,
∴∠FAE=∠BAC=90°,
∵∠DAE=45°,
∴∠FAD=90°﹣45°=45°,
∴∠FAD=∠DAE=45°,
在△ADF和△ADE中,AF=AE, ∠FAD=∠DAE,AD=AD,
∴△ADF≌△ADE(SAS),
∴DF=DE,
∵∠BAC=90°,AB=AC,
∴∠ABC=∠C=45°,
∴∠C=∠ABF=45°,
∴∠DBF=∠ABF+∠ABC=90°,
∴△BDF是直角三角形,
∴BD²+BF²=DF²,
∴BD²+EC²=DE².
4.问题:如图1,在平行四边形ABCD中,点E是BC边的中点,连结AE,点F是线段AE上一点,连结BF并延长,交射线CD于点G.若AF:EF=4:1,求CD/CG的值.
(1)尝试探究:
如图1,过点E作EH∥AB交BG于点H,则AB和EH的数量关系是.CG和EH的数量关系是,因此CD/CG=______.
(2)类比延伸:
在原题的条件下,若把"AF:EF=4:1"改为"AF:EF=n:1"(n>0),求CD/CG的值.(用含有n的式子表示)
(3)拓展迁移:
如图2,在四边形ABCD中,CD∥AB,点E是BC的延长线上的一点,AE与BD相交于点F.若AB:CD=a:1(a>0),BC:BE=b:1(b>0),则AF/AE=_____.(直接用含有a、b的式子表示,不写解答过程)
【解答】(1)依题意,过点E作EH∥AB交BG于点H,如右图1所示.
则有△ABF∽△EHF,
∴AB/EH=AF/EF=4,∴AB=4EH.
∵▱ABCD,EH∥AB,∴EH∥CD,
又∵E为BC中点,
∴EH为△BCG的中位线,
∴CG=2EH.CD/CG=AB/CG=2.
故答案为:2.
(2)如右图2所示,作EH∥AB交BG于点H,则△EFH∽△AFB.
∴AB/EF=AF/EF=n,∴AB=nEH.
∵AB=CD,∴CD=nEH.
∵EH∥AB∥CD,∴△BEH∽△BCG.
∴CG/EH=BC/BE=2,∴CG=2EH.
∴CD/CG=n EN/2EH=n/2.
(3)如右图3所示,过点E作EH∥AB交BD的延长线于点H,则有EH∥AB∥CD.
∵EH∥CD,∴△BCD∽△BEH,
∴CD/EH=BC/BE=b,∴CD=bEH.
又AB/CD=a,
∴AB=aCD=abEH.
∵EH∥AB,∴△ABF∽△EHF,
∴AF/EF=AB/EH=abEH/EH=ab,
故答案为:ab.
【点评】本题的设计独具匠心:由平行四边形中的一个特殊的例子出发(第1问),推广到平行四边形中的一般情形(第2问),最后再通过类比、转化到梯形中去(第3问).各种图形虽然形式不一,但运用的解题思想与解题方法却是一以贯之:即通过构造相似三角形,得到线段之间的比例关系,这个比例关系均统一用同一条线段来表达,这样就可以方便地求出线段的比值.本题体现了初中数学的类比、转化、从特殊到一般等思想方法,有利于学生触类旁通、举一反三.
几何类比推理问题,要根据从特殊到一般再到特殊的过程,探究题目内在不变条件和结构,变化的条件是变在什么地方,最主要的着手点还是从书本的条件和结构开始,像这个问题就是从角平分线的定理开始入手,作垂线辅助线,然后顺藤摸瓜,找全等,转化相等线段,在找等腰三角形三线合一的结构,再进一步找边长关系,利用特殊角度和长度关系来得出想要的结论,另外一个问题的设计也是有一个主题的,不要把前后小问割裂开,要先从前面特殊问题做法模仿入手考虑,找相同思路,如遇中间无法转化的时候,再看是哪些条件发生了变化,对我们的问题有什么影响,从而进一步解决和思考!
可以说,几何类比探究问题是一段从特殊到一般的思维之旅,动静之间,我们找到了变与不变的真谛与反应,这或许是人生的折射.