- 搞定平面幾何:輔助線是怎么想出來的
- 昍爸 張志朝 宋書華
- 1233字
- 2024-07-02 16:23:36
第一題
QUESTION 1
等邊三角形ABC中,AD垂直于BC,M、N分別是AD和AC上的兩點,且AM=CN,請問,當BM+BN最小時,∠MBN是多少度?

首先,這是一道與動點有關的題目。很多人碰到動點問題就犯怵,這可以理解。相較于確定和不變的東西,人們總是對不確定的、變化的東西心懷恐懼。而題目所要考察的往往是在變化中尋找和發現相對不變性的能力,這對許多人而言是一項比較高的要求。
對于這類動點問題,一般可以先考慮幾個特殊情況,從而對問題有個初步的把握,以消除內心的部分恐慌。
在本題中,當AM=CN=0時,M與A重合,N與C重合,BM+BN=BA+BC,此時BM+BN取得符合要求的所有情況里的最大值。
而如果M與D重合,則此時BM取得最小值,但BN并不取得最小值。反之,如果N為AC的中點,此時BN取得最小值,但BM并不是最小值。
我的第一個思考是利用對稱性,比如把BM轉換成下面的CM,但這樣CM和BN離得更遠了。顯然,這樣的輔助線沒什么效果。
這里就涉及作輔助線的一個基本原則:輔助線應該把題目中分散的條件最大程度地聯系起來,最好是聚合起來,而不是讓它們更分散。

怎么利用AM=CN這個條件?目前,這2條邊在圖中沒什么直接關聯,能不能讓它們跑到一起,變成一個等腰三角形之類的?
基于這一想法,我想到了下面的旋轉,即讓△BCN繞B點逆時針旋轉60°至△BAP的位置。此時可得:AP=CN=AM,∠PAB=∠NCB=60°,因此∠PAM=90°,從而△PAM為等腰直角三角形;同時,△BPN為等邊三角形,BN=BP=PN,因此BM+BN=BM+BP。
這種作輔助線的方法確實把許多條件聚合到了一起。但問題在于P點依舊為動點,仍然不能解決BM+BN什么時候最小的問題。

2次正面嘗試,都遭遇了挫折。這時,我不得不停下來,嘗試從結論來思考一下這個問題。
為了讓BN+BM最小,一般而言,我們需要下面這樣的模式。也就是找到一個P點,使得PN=BM,這樣BN+BM=BN+NP,從而,當B、N、P為一條直線時BN+BM取得最小值。當然,這有一個前提,也就是P點必須為定點!

為此,我們不妨先把BM搬到NP的位置,來逆向思考一下到底要作什么輔助線。
此時,如果我們連接PC,我們發現NP=MB,NC=MA,也就是△NCP和△MAB已經有兩條邊對應相等了。這一觀察發現顯然在引導我構造全等三角形。如果還有PC=BA,那么△PCN≌△BAM,此時應該有∠PCN=∠BAM=30°。
據此,我們就很容易得到下面的輔助線作法,即:作△PCN≌△BAM。由于∠PCN=∠BAM=30°,因此PC⊥BC,并且PC=BA為定長,這表明P點一定為定點。
從而,BM+BN=PN+BN。顯然,當B、N、P三點共線時BM+BN取最小值。此時,△BCP為等腰直角三角形,∠NPC=∠PBC=45°。
由于△BAM≌△PCN,因此∠ABM=∠CPN=45°。
從而,∠MBN=45°+45°-60°=30°。

當然,上面的做法是把BM搬家,我們是否可以進一步思考一下:能不能把BN搬家呢?其實也行,我畫了個示意圖,大家可以自行體會。這種思考方式,蘊含著對稱的思想。

所以你看,如果我直接把輔助線和答案寫出來,那就少了點兒意思。你可能會覺得原來這么簡單,也可能會驚呼:哇,昍爸你的靈感真好!但其實不然,我也是經過了挫折之后調整方向,才得到了正確的解法。而這個過程,涉及從條件出發和從結論出發兩方面的推進。解題其實很多時候大都是這樣,正著解題遇挫不妨反著再試試,兩方面同時推進,最后勝利會師!