
【模型背景】皮耶·德·費(fèi)馬,17世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家,有“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”的美譽(yù),之所以叫業(yè)余并非段位不夠,而是因?yàn)槠渲髀毷锹蓭煟媛毟愀銛?shù)學(xué).費(fèi)馬在解析幾何、微積分等領(lǐng)域都有卓越的貢獻(xiàn),除此之外,費(fèi)馬廣為人知的是以其名字命名的“費(fèi)馬小定理”、“費(fèi)馬大定理”等.費(fèi)馬點(diǎn):三角形內(nèi)的點(diǎn)到三個(gè)頂點(diǎn)距離之和最小的點(diǎn)。
TOC \ "1-4" \h \z \u \l "_Tc13349" PAGEREF _Tc13349 \h 1
\l "_Tc23556" 模型1.費(fèi)馬點(diǎn)模型 PAGEREF _Tc23556 \h 1
\l "_Tc1556" 模型2.加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn)模型 PAGEREF _Tc1556 \h 12
\l "_Tc15185" PAGEREF _Tc15185 \h 20
模型1.費(fèi)馬點(diǎn)模型
結(jié)論:如圖1,點(diǎn)M為△ABC內(nèi)任意一點(diǎn),連接AM、BM、CM,當(dāng)M與三個(gè)頂點(diǎn)連線的夾角為120°時(shí),MA+MB+MC的值最小。
圖1 圖2 圖3
注意:上述結(jié)論成立的條件是△ABC的最大的角要小于120o,若最大的角大于或等于120o,此時(shí)費(fèi)馬點(diǎn)就是最大角的頂點(diǎn)A。(這種情況一般不考,通常只考查三角形的最大頂角小于120°)
證明:如圖2,以AB為一邊向外作等邊三角形△ABE,將BM繞點(diǎn)B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到BN,連接EN.
∵△ABE為等邊三角形,∴AB=BE,∠ABE=60°.而∠MBN=60°,∴∠ABM=∠EBN.
在△AMB與△ENB中,∵,∴△AMB≌△ENB(SAS).
連接MN.由△AMB≌△ENB知,AM=EN.∵∠MBN=60°,BM=BN,∴△BMN為等邊三角形.
∴BM=MN.∴AM+BM+CM=EN+MN+CM.∴當(dāng)E、N、M、C四點(diǎn)共線時(shí),AM+BM+CM的值最?。?br>此時(shí),∠BMC=180°﹣∠NMB=120°;∠AMB=∠ENB=180°﹣∠BNM=120°;
∠AMC=360°﹣∠BMC﹣∠AMB=120°.
費(fèi)馬點(diǎn)的作法:如圖3,分別以△ABC的AB、AC為一邊向外作等邊△ABE和等邊△ACF,連接CE、BF,設(shè)交點(diǎn)為M,則點(diǎn)M即為△ABC的費(fèi)馬點(diǎn)。
【最值原理】?jī)牲c(diǎn)之間,線段最短。
例1.(23-24九年級(jí)上·廣東江門·階段練習(xí))如圖,在中,,點(diǎn)為內(nèi)部一點(diǎn),則點(diǎn)到三個(gè)頂點(diǎn)之和的最小值是 .
例2.(2024·江蘇宿遷·模擬預(yù)測(cè))如圖,在矩形中,是的中點(diǎn),是邊上一動(dòng)點(diǎn),將沿著翻折,使得點(diǎn)落在點(diǎn)處,矩形內(nèi)有一動(dòng)點(diǎn)連接則的最小值為 .
例3.(23-24九年級(jí)下·河南周口·階段練習(xí))【問題背景】在已知所在平面內(nèi)求一點(diǎn)P,使它到三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的距離之和最?。ㄈ鐖D1).這個(gè)問題是有著“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”美譽(yù)的法國(guó)律師費(fèi)馬在1640年前后向意大利物理學(xué)家托里拆利提出的,所求的點(diǎn)被人們稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”.解決方法如下:如圖2,把繞A點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到(點(diǎn)P,C的對(duì)應(yīng)點(diǎn)分別為點(diǎn),),連接,則,.
∵_(dá)_____,∴為等邊三角形,∴,∴,
∴當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,即點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”.
任務(wù):(1)橫線處填寫的條件是______;(2)當(dāng)點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”時(shí),______;
(3)如圖3,△ABC中,,,E,F(xiàn)為BC上的點(diǎn),且,判斷之間的數(shù)量關(guān)系并說明理由;
【實(shí)際應(yīng)用】圖4所示是一個(gè)三角形公園,其中頂點(diǎn)A,B,C為公園的出入口,,,AC=4km,工人師傅準(zhǔn)備在公園內(nèi)修建一涼亭P,使該涼亭到三個(gè)出入口的距離最小,則的最小值是______.
例4.(2023春·重慶·九年級(jí)專題練習(xí))背景資料:在已知所在平面上求一點(diǎn)P,使它到三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的距離之和最小.這個(gè)問題是法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬1640年前后向意大利物理學(xué)家托里拆利提出的,所求的點(diǎn)被人們稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”.如圖1,當(dāng)三個(gè)內(nèi)角均小于120°時(shí),費(fèi)馬點(diǎn)P在內(nèi)部,當(dāng)時(shí),則取得最小值.
(1)如圖2,等邊內(nèi)有一點(diǎn)P,若點(diǎn)P到頂點(diǎn)A、B、C的距離分別為3,4,5,求的度數(shù),為了解決本題,我們可以將繞頂點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)到處,此時(shí)這樣就可以利用旋轉(zhuǎn)變換,將三條線段、、轉(zhuǎn)化到一個(gè)三角形中,從而求出_______;
知識(shí)生成:怎樣找三個(gè)內(nèi)角均小于120°的三角形的費(fèi)馬點(diǎn)呢?為此我們只要以三角形一邊在外側(cè)作等邊三角形并連接等邊三角形的頂點(diǎn)與的另一頂點(diǎn),則連線通過三角形內(nèi)部的費(fèi)馬點(diǎn).請(qǐng)同學(xué)們探索以下問題.(2)如圖3,三個(gè)內(nèi)角均小于120°,在外側(cè)作等邊三角形,連接,求證:過的費(fèi)馬點(diǎn).(3)如圖4,在中,,,,點(diǎn)P為的費(fèi)馬點(diǎn),連接、、,求的值.(4)如圖5,在正方形中,點(diǎn)E為內(nèi)部任意一點(diǎn),連接、、,且邊長(zhǎng);求的最小值.
例5.(2024·江蘇·??既#┤鐖D,四個(gè)村莊坐落在矩形ABCD的四個(gè)頂點(diǎn)上,公里,公里,現(xiàn)在要設(shè)立兩個(gè)車站E,F(xiàn),則的最小值為______公里.
模型2.加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn)模型
結(jié)論:點(diǎn)P為銳角△ABC內(nèi)任意一點(diǎn),連接AP、BP、CP,求xAP+yBP+zCP最小值。(加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn))
證明:第一步,選定固定不變線段;第二步,對(duì)剩余線段進(jìn)行縮小或者放大。
如:保持BP不變,xAP+yBP+zCP=,如圖,B、P、P2、A2四點(diǎn)共線時(shí),取得最小值。
例1.(2024·廣東廣州·一模)如圖,在矩形和矩形中,,,,.矩形繞著點(diǎn)A旋轉(zhuǎn),連接,,,.
(1)求證:;(2)當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度最大時(shí),①求的長(zhǎng)度;②在內(nèi)是否存在一點(diǎn)P,使得的值最小?若存在,求的最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
例2.(2024·重慶·二模)已知中,點(diǎn)和點(diǎn)是平面內(nèi)兩點(diǎn),連接,和,.
(1)如圖1,若,,,求的長(zhǎng)度;(2)如圖2,連接和,點(diǎn)為中點(diǎn),點(diǎn)為中點(diǎn),連接和,若,求證:;(3)若,,當(dāng)取得最小值,且取得最大值時(shí),直接寫出的面積.
例3.(23-24九年級(jí)上·重慶·階段練習(xí))在等邊中,點(diǎn)D是邊上一點(diǎn),連接,將線段繞點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到線段,則,,連接交于點(diǎn)F,交于點(diǎn)H.
(1)如圖1,當(dāng)點(diǎn)D為中點(diǎn)時(shí),且,求的面積;(2)如圖2,猜想線段、、之間的數(shù)量關(guān)系,并證明你的猜想;(3)如圖3,若,在內(nèi)部有一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P,連接、、,直接寫出的最小值.
1.(2023春·湖北武漢·九年級(jí)校考階段練習(xí))如圖,點(diǎn)M是矩形內(nèi)一點(diǎn),且,,N為邊上一點(diǎn),連接、、,則的最小值為______.
2.(2023·廣東深圳·二模)如圖,是等邊三角形,M是正方形ABCD對(duì)角線BD(不含B點(diǎn))上任意一點(diǎn),,(點(diǎn)N在AB的左側(cè)),當(dāng)AM+BM+CM的最小值為時(shí),正方形的邊長(zhǎng)為______.
3.(24-25九年級(jí)上·湖南長(zhǎng)沙·階段練習(xí))法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬提出:在△ABC內(nèi)存在一點(diǎn)P,使它到三角形頂點(diǎn)的距離之和最小.人們稱這個(gè)點(diǎn)為費(fèi)馬點(diǎn),此時(shí)PA+PB+PC的值為費(fèi)馬距離.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):在銳角△ABC中,費(fèi)馬點(diǎn)P滿足∠APB=∠BPC=∠CPA=120°,如圖,點(diǎn)P為銳角△ABC的費(fèi)馬點(diǎn),且PA=3,PC=4,∠ABC=60°,則費(fèi)馬距離為 .
4.(2023·四川成都·二模)如圖,矩形中,,點(diǎn)E是的中點(diǎn),點(diǎn)F是邊上一動(dòng)點(diǎn).將沿著翻折,使得點(diǎn)B落在點(diǎn)處,若點(diǎn)P是矩形內(nèi)一動(dòng)點(diǎn),連接,則的最小值為 .
?
5.(2023·四川·校聯(lián)考模擬預(yù)測(cè))如圖,在中,P為平面內(nèi)的一點(diǎn),連接,若,則的最小值是( )
A.B.36C.D.
6.(23-24九年級(jí)上·重慶渝中·自主招生)如圖,E是邊長(zhǎng)為8的正方形的邊上的動(dòng)點(diǎn),于點(diǎn)F,G在上,且,P是平面內(nèi)一動(dòng)點(diǎn),H是上的動(dòng)點(diǎn),則的最小值為 .
7.(2024·湖北·模擬預(yù)測(cè))閱讀以下材料并完成問題
材料一:數(shù)形結(jié)合是一種重要的數(shù)學(xué)思想如可看做是圖一中的長(zhǎng),可看做是的長(zhǎng).
材料二:費(fèi)馬點(diǎn)問題是一個(gè)古老的數(shù)學(xué)問題.費(fèi)馬點(diǎn)即在中有一點(diǎn)使得的值最?。▽W(xué)家費(fèi)馬給出的證明方法如下:
將繞點(diǎn)向外旋轉(zhuǎn)得到,并連接易得是等邊三角形、,則,則,所以的值最小為.
請(qǐng)結(jié)合以上兩材料求出的最小值
8.(2023上·廣東珠?!ぐ四昙?jí)??计谥校┚C合與實(shí)踐:
【問題情境】學(xué)完等邊三角形后,老師在課堂上提出了一個(gè)問題并證明了:如圖1,等邊與等邊共一個(gè)頂點(diǎn)時(shí),無論怎么擺放可通過恒有.于是提出了如下問題.
【問題證明】(1)如圖2,M是等腰內(nèi)一點(diǎn),N是等邊內(nèi)一點(diǎn),且滿足.求證:是等邊三角形.
【遷移應(yīng)用】(2)在(1)的基礎(chǔ)上,知點(diǎn)M是等腰內(nèi)一點(diǎn),當(dāng)點(diǎn)M到三角形3個(gè)頂點(diǎn)的距離之和,即最小時(shí),我們把M點(diǎn)稱為等腰的“紫荊點(diǎn)”.若M是等腰的紫荊點(diǎn),求.
完成以下推導(dǎo)過程:(①填理由;②填線段;③與④填關(guān)系式)
解:如圖3,令,分別是等腰,等邊內(nèi)一點(diǎn),且滿足∴
∵是等邊三角形 ∴,
由 ① 可知:∴的最小值的最小值= ②
∴如圖4,當(dāng)D、N、M、C在一條直線上時(shí).M是等腰的紫荊點(diǎn)
∴ ③ ; ④ ∴
【拓展提升】(3)甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)等腰“紫荊點(diǎn)”的作法:如圖5,已知,在AB的左側(cè)作等邊.連接,與的角平分線交于點(diǎn)M,點(diǎn)M就是“紫荊點(diǎn)”,甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)是否正確?請(qǐng)說明理由.
9.(2024·陜西西安·二模)問題提出
(1)如圖1,在等邊內(nèi)部有一點(diǎn)P,,,,則______.
問題解決(2)如圖2,五邊形ABCDE是某公園局部平面圖,,,,,,.現(xiàn)需要在該五邊形內(nèi)部修建一條人工小溪,并建造一座觀賞橋梁PQ和三條觀光路AP,CQ,DQ,且,.已知觀賞橋梁修建費(fèi)用每米2a元和觀光路修建費(fèi)用每米a元.是否存在點(diǎn)P,使得修建橋梁和觀光路總費(fèi)用最低?若存在,請(qǐng)用含有a的代數(shù)式表示出總費(fèi)用最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
10.(2024·陜西咸陽·模擬預(yù)測(cè))(1)如圖①,在中,,,P為內(nèi)一點(diǎn),求的最小值.為了求的最小值,小明是這樣做的:將繞點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,則,連接.此時(shí)小明發(fā)現(xiàn),且,則為等邊三角形,于是.試著根據(jù)小明的思路,求出的最小值.
(2)如圖②,某牧場(chǎng)有一塊矩形空地,其中米,米,點(diǎn)E在邊上且米,F(xiàn)為邊上任意一點(diǎn),點(diǎn)A關(guān)于的對(duì)稱點(diǎn)為.牧場(chǎng)主欲在四邊形的四條邊上裝上柵欄飼養(yǎng)土雞,并將B點(diǎn)、C點(diǎn)分別作為牛棚和羊棚的入口,若要在矩形內(nèi)一點(diǎn)P處打一口井,并修建地下管道,,.請(qǐng)問:是否存在一點(diǎn)P,使的值最?。咳绻嬖?,請(qǐng)求出的最小值及此時(shí)的長(zhǎng);如果不存在,請(qǐng)說明理由.
11.(23-24八年級(jí)下·陜西·階段練習(xí))課本再現(xiàn):
(1)把兩個(gè)全等的矩形和矩形拼成如圖1的圖案,則的度數(shù)為________;
圖1 圖2 圖3
遷移應(yīng)用:(2)如圖2,在正方形中,E是邊上一點(diǎn)(不與點(diǎn)C、D重合),連接,將繞點(diǎn)E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至,作射線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)G,求證:;
拓展延伸:(3)如圖3,在菱形中,,E是邊上一點(diǎn)(不與點(diǎn)C、D重合),連接,將繞點(diǎn)E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至,作射線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)G.
①線段與的數(shù)量關(guān)系是________②連接,點(diǎn)P為內(nèi)一點(diǎn),連接.若,則的最小值為________.
12.(23-24九年級(jí)上·重慶江津·階段練習(xí))如圖,在中,,,于點(diǎn)D.點(diǎn)G是射線AD上一點(diǎn),過G作分別交AB、AC于點(diǎn)E、F:
(1)如圖①所示,若點(diǎn)E,F(xiàn)分別在線段AB,AC上,當(dāng)點(diǎn)G與點(diǎn)D重合時(shí),求證:;
(2)如圖②所示,當(dāng)點(diǎn)G在線段AD外,且點(diǎn)E與點(diǎn)B重合時(shí),猜想AE,AF與AG之間存在的數(shù)量關(guān)系并說明理由;(3)當(dāng)點(diǎn)G在線段AD上時(shí),請(qǐng)直接寫出的最小值.
參考公式:
13.(2023.河南四模)閱讀材料:平面幾何中的費(fèi)馬問題是十七世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家、被譽(yù)為業(yè)余數(shù)學(xué)家之王的皮埃爾·德·費(fèi)馬提出的一個(gè)著名的幾何問題.1643年,在一封寫給意大利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家托里拆利的私人信件中,費(fèi)馬提出了下面這個(gè)極富挑戰(zhàn)性和趣味性的幾何難題,請(qǐng)求托里拆利幫忙解答:給定不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)A,B,C,求平面上到這三個(gè)點(diǎn)的距離之和最短的點(diǎn)P的位置.托里拆利成功地解決了費(fèi)馬的問題.后來人們就把平面上到一個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A,B,C距離之和最小的點(diǎn)稱為ABC的費(fèi)馬-托里拆利點(diǎn),也簡(jiǎn)稱為費(fèi)馬點(diǎn)或托里拆利點(diǎn).問題解決:
(1)費(fèi)馬問題有多種不同的解法,最簡(jiǎn)單快捷的還是幾何解法.如圖1,我們可以將BPC繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到BDE,連接PD,可得BPD為等邊三角形,故PD=PB,由旋轉(zhuǎn)可得DE=PC,因PA+PB+PC=PA+PD+DE,由 可知,PA+PB+PC的最小值與線段 的長(zhǎng)度相等;
(2)如圖2,在直角三角形ABC內(nèi)部有一動(dòng)點(diǎn)P,∠BAC=90°,∠ACB=30°,連接PA,PB,PC,若AB=2,求PA+PB+PC的最小值;(3)如圖3,菱形ABCD的邊長(zhǎng)為4,∠ABC=60°,平面內(nèi)有一動(dòng)點(diǎn)E,在點(diǎn)E運(yùn)動(dòng)過程中,始終有∠BEC=90°,連接AE、DE,在ADE內(nèi)部是否存在一點(diǎn)P,使得PA+PD+PE最小,若存在,請(qǐng)直接寫出PA+PD+PE的最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
14.(23-24九年級(jí)上·湖北襄陽·自主招生)(1)如圖在內(nèi)部有一點(diǎn),是正三角形,連接、、,將線段繞順時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)至,①求證:;②調(diào)整P點(diǎn)的位置,使最小,求此時(shí)和的大小.(2)如圖在直角三角形中,,,在其內(nèi)部任取一點(diǎn),求的最小值.
15.(2023·湖北隨州·統(tǒng)考中考真題)1643年,法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬曾提出一個(gè)著名的幾何問題:給定不在同一條直線上的三個(gè)點(diǎn)A,B,C,求平面上到這三個(gè)點(diǎn)的距離之和最小的點(diǎn)的位置,意大利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家托里拆利給出了分析和證明,該點(diǎn)也被稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”或“托里拆利點(diǎn)”,該問題也被稱為“將軍巡營(yíng)”問題.
(1)下面是該問題的一種常見的解決方法,請(qǐng)補(bǔ)充以下推理過程:(其中①處從“直角”和“等邊”中選擇填空,②處從“兩點(diǎn)之間線段最短”和“三角形兩邊之和大于第三邊”中選擇填空,③處填寫角度數(shù),④處填寫該三角形的某個(gè)頂點(diǎn))
當(dāng)?shù)娜齻€(gè)內(nèi)角均小于時(shí),如圖1,將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
由,可知為 ① 三角形,故,又,故,
由 ② 可知,當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,如圖2,最小值為,此時(shí)的P點(diǎn)為該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”,且有 ③ ;
已知當(dāng)有一個(gè)內(nèi)角大于或等于時(shí),“費(fèi)馬點(diǎn)”為該三角形的某個(gè)頂點(diǎn).如圖3,若,則該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”為 ④ 點(diǎn).
(2)如圖4,在中,三個(gè)內(nèi)角均小于,且,已知點(diǎn)P為的“費(fèi)馬點(diǎn)”,求的值;
(3)如圖5,設(shè)村莊A,B,C的連線構(gòu)成一個(gè)三角形,且已知.現(xiàn)欲建一中轉(zhuǎn)站P沿直線向A,B,C三個(gè)村莊鋪設(shè)電纜,已知由中轉(zhuǎn)站P到村莊A,B,C的鋪設(shè)成本分別為a元/,a元/,元/,選取合適的P的位置,可以使總的鋪設(shè)成本最低為___________元.(結(jié)果用含a的式子表示)
16.(2024·廣東·一模)如圖,和均為等腰直角三角形,.現(xiàn)將繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn).
(1)如圖1,若三點(diǎn)共線,,求點(diǎn)B到直線的距離;(2)如圖2,連接,點(diǎn)F為線段的中點(diǎn),連接,求證:;(3)如圖3,若點(diǎn)G在線段上,且,在內(nèi)部有一點(diǎn)O,請(qǐng)直接寫出的最小值.
專題35 最值模型之費(fèi)馬點(diǎn)模型
費(fèi)馬點(diǎn)問題是由全等三角形中的手拉手模型衍生而來,主要考查轉(zhuǎn)化與化歸等的數(shù)學(xué)思想,在各類考試中都以中高檔題為主。本專題就最值模型中的費(fèi)馬點(diǎn)問題進(jìn)行梳理及對(duì)應(yīng)試題分析,方便掌握。
【模型背景】皮耶·德·費(fèi)馬,17世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家,有“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”的美譽(yù),之所以叫業(yè)余并非段位不夠,而是因?yàn)槠渲髀毷锹蓭?,兼職搞搞?shù)學(xué).費(fèi)馬在解析幾何、微積分等領(lǐng)域都有卓越的貢獻(xiàn),除此之外,費(fèi)馬廣為人知的是以其名字命名的“費(fèi)馬小定理”、“費(fèi)馬大定理”等.費(fèi)馬點(diǎn):三角形內(nèi)的點(diǎn)到三個(gè)頂點(diǎn)距離之和最小的點(diǎn)。
TOC \ "1-4" \h \z \u \l "_Tc13349" PAGEREF _Tc13349 \h 1
\l "_Tc23556" 模型1.費(fèi)馬點(diǎn)模型 PAGEREF _Tc23556 \h 1
\l "_Tc1556" 模型2.加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn)模型 PAGEREF _Tc1556 \h 12
\l "_Tc15185" PAGEREF _Tc15185 \h 20
模型1.費(fèi)馬點(diǎn)模型
結(jié)論:如圖1,點(diǎn)M為△ABC內(nèi)任意一點(diǎn),連接AM、BM、CM,當(dāng)M與三個(gè)頂點(diǎn)連線的夾角為120°時(shí),MA+MB+MC的值最小。
圖1 圖2 圖3
注意:上述結(jié)論成立的條件是△ABC的最大的角要小于120o,若最大的角大于或等于120o,此時(shí)費(fèi)馬點(diǎn)就是最大角的頂點(diǎn)A。(這種情況一般不考,通常只考查三角形的最大頂角小于120°)
證明:如圖2,以AB為一邊向外作等邊三角形△ABE,將BM繞點(diǎn)B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到BN,連接EN.
∵△ABE為等邊三角形,∴AB=BE,∠ABE=60°.而∠MBN=60°,∴∠ABM=∠EBN.
在△AMB與△ENB中,∵,∴△AMB≌△ENB(SAS).
連接MN.由△AMB≌△ENB知,AM=EN.∵∠MBN=60°,BM=BN,∴△BMN為等邊三角形.
∴BM=MN.∴AM+BM+CM=EN+MN+CM.∴當(dāng)E、N、M、C四點(diǎn)共線時(shí),AM+BM+CM的值最小.
此時(shí),∠BMC=180°﹣∠NMB=120°;∠AMB=∠ENB=180°﹣∠BNM=120°;
∠AMC=360°﹣∠BMC﹣∠AMB=120°.
費(fèi)馬點(diǎn)的作法:如圖3,分別以△ABC的AB、AC為一邊向外作等邊△ABE和等邊△ACF,連接CE、BF,設(shè)交點(diǎn)為M,則點(diǎn)M即為△ABC的費(fèi)馬點(diǎn)。
【最值原理】?jī)牲c(diǎn)之間,線段最短。
例1.(23-24九年級(jí)上·廣東江門·階段練習(xí))如圖,在中,,點(diǎn)為內(nèi)部一點(diǎn),則點(diǎn)到三個(gè)頂點(diǎn)之和的最小值是 .
【答案】
【分析】將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到,連接,過點(diǎn)C作,交的延長(zhǎng)線于N,由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)可得,,,,,易得是等邊三角形,可得,進(jìn)而得到,當(dāng)點(diǎn)H、E、P、C共線時(shí),有最小值,再求出和的長(zhǎng)度,由勾股定理可求解.
【詳解】解:將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到,連接,過點(diǎn)C作,交的延長(zhǎng)線于N,
∴,,,,,
∴,∴是等邊三角形,∴,
∴,∴當(dāng)點(diǎn)H、E、P、C共線時(shí),有最小值.
∵,,
∴,∴,∴ .
在中,,即點(diǎn)P到三個(gè)頂點(diǎn)之和的最小值是.
故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題屬于幾何變換綜合題,考查了旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),等邊三角形的判定和性質(zhì),勾股定理,直角三角形的性質(zhì),構(gòu)造旋轉(zhuǎn)圖形是本題的關(guān)鍵.
例2.(2024·江蘇宿遷·模擬預(yù)測(cè))如圖,在矩形中,是的中點(diǎn),是邊上一動(dòng)點(diǎn),將沿著翻折,使得點(diǎn)落在點(diǎn)處,矩形內(nèi)有一動(dòng)點(diǎn)連接則的最小值為 .
【答案】
【分析】將繞點(diǎn)D逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,從而將轉(zhuǎn)化到,當(dāng)點(diǎn)E、、P、、在同一條直線上時(shí),=取得最小值.
【詳解】
如圖,將繞點(diǎn)D逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,則有:
、是等邊三角形,=
由折疊的性質(zhì)可知,的運(yùn)動(dòng)軌跡是以E為圓心,EB長(zhǎng)為半徑的圓(如圖所示),故當(dāng)E、、P、、在同一直線上時(shí)取最小值;
是的中點(diǎn),、是等邊三角形,
DC=4,,,
的最小值為:==;
故答案為.
【點(diǎn)睛】本題考查了圖形中求最短距離的問題,解題的關(guān)鍵是把所求線段轉(zhuǎn)化到同一直線中求解.
例3.(23-24九年級(jí)下·河南周口·階段練習(xí))【問題背景】在已知所在平面內(nèi)求一點(diǎn)P,使它到三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的距離之和最小(如圖1).這個(gè)問題是有著“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”美譽(yù)的法國(guó)律師費(fèi)馬在1640年前后向意大利物理學(xué)家托里拆利提出的,所求的點(diǎn)被人們稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”.解決方法如下:如圖2,把繞A點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到(點(diǎn)P,C的對(duì)應(yīng)點(diǎn)分別為點(diǎn),),連接,則,.
∵_(dá)_____,∴為等邊三角形,∴,∴,
∴當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,即點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”.
任務(wù):(1)橫線處填寫的條件是______;(2)當(dāng)點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”時(shí),______;
(3)如圖3,△ABC中,,,E,F(xiàn)為BC上的點(diǎn),且,判斷之間的數(shù)量關(guān)系并說明理由;
【實(shí)際應(yīng)用】圖4所示是一個(gè)三角形公園,其中頂點(diǎn)A,B,C為公園的出入口,,,AC=4km,工人師傅準(zhǔn)備在公園內(nèi)修建一涼亭P,使該涼亭到三個(gè)出入口的距離最小,則的最小值是______.
【答案】問題背景:(1)見解析;(2);(3) ,理由見解析;實(shí)際應(yīng)用;
【分析】問題背景:(1)先證明為等邊三角形,得到,則,由此可得當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,即點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”.
(2)由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)可得,,進(jìn)而利用三角形內(nèi)角和定理得到,再由等邊三角形的性質(zhì)得到,則,,即可利用周角的定義得到;
(3)將繞點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到,連接,利用旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)和等邊對(duì)等角,得到,為直角三角形,進(jìn)而得到,證明,得到,即可得出結(jié)論;
實(shí)際應(yīng)用:如圖所示,將繞點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,由問題背景(1)可得當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,最小值為,過點(diǎn)作交延長(zhǎng)線于D,證明是等腰直角三角形,得到,則,利用勾股定理得到,則得最小值為.
【詳解】解:?jiǎn)栴}背景:(1)如圖2,把繞A點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到(點(diǎn)P,C的對(duì)應(yīng)點(diǎn)分別為點(diǎn),),連接,則,.
∵,∴為等邊三角形,∴,∴,
∴當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,即點(diǎn)P是的“費(fèi)馬點(diǎn)”.
(2)如圖2所示,設(shè)交于O,由(1)可得當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)可得,,又∵,∴
∵為等邊三角形,∴,∴,,
∴,∴,故答案為:;
(3) ,理由如下:∵,,∴,
如圖所示,將繞點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到,連接,
則:,
∴,∴,
∵,∴,∴,
又∵,,∴,∴,∴;
實(shí)際應(yīng)用:如圖所示,將繞點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
由問題背景(1)可得當(dāng)B,P,,四點(diǎn)在同一直線上時(shí),的值最小,最小值為,
過點(diǎn)作交延長(zhǎng)線于D,由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)可得,,
∵,∴,∴是等腰直角三角形,
∴,∴,
∴,∴得最小值為,故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題主要考查了旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),等邊三角形的性質(zhì)與判定,勾股定理,全等三角形的性質(zhì)與判定,等腰直角三角形的性質(zhì)與判定等等,通過旋轉(zhuǎn)構(gòu)造全等三角形是解題的關(guān)鍵.
例4.(2023春·重慶·九年級(jí)專題練習(xí))背景資料:在已知所在平面上求一點(diǎn)P,使它到三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的距離之和最小.這個(gè)問題是法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬1640年前后向意大利物理學(xué)家托里拆利提出的,所求的點(diǎn)被人們稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”.如圖1,當(dāng)三個(gè)內(nèi)角均小于120°時(shí),費(fèi)馬點(diǎn)P在內(nèi)部,當(dāng)時(shí),則取得最小值.
(1)如圖2,等邊內(nèi)有一點(diǎn)P,若點(diǎn)P到頂點(diǎn)A、B、C的距離分別為3,4,5,求的度數(shù),為了解決本題,我們可以將繞頂點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)到處,此時(shí)這樣就可以利用旋轉(zhuǎn)變換,將三條線段、、轉(zhuǎn)化到一個(gè)三角形中,從而求出_______;
知識(shí)生成:怎樣找三個(gè)內(nèi)角均小于120°的三角形的費(fèi)馬點(diǎn)呢?為此我們只要以三角形一邊在外側(cè)作等邊三角形并連接等邊三角形的頂點(diǎn)與的另一頂點(diǎn),則連線通過三角形內(nèi)部的費(fèi)馬點(diǎn).請(qǐng)同學(xué)們探索以下問題.(2)如圖3,三個(gè)內(nèi)角均小于120°,在外側(cè)作等邊三角形,連接,求證:過的費(fèi)馬點(diǎn).(3)如圖4,在中,,,,點(diǎn)P為的費(fèi)馬點(diǎn),連接、、,求的值.(4)如圖5,在正方形中,點(diǎn)E為內(nèi)部任意一點(diǎn),連接、、,且邊長(zhǎng);求的最小值.
【答案】(1)150°;(2)見詳解;(3);(4).
【分析】(1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)性質(zhì)得出≌,得出∠BAP=∠CAP′,∠APB=∠AP′C,AP=AP′=3,BP=CP′=4,根據(jù)△ABC為等邊三角形,得出∠BAC=60°,可證△APP′為等邊三角形,PP′=AP=3,∠AP′P=60°,根據(jù)勾股定理逆定理,得出△PP′C是直角三角形,∠PP′C=90°,可求∠AP′C=∠APP+∠PPC=60°+90°=150°即可;
(2)將△APB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°,得到△AB′P′,連結(jié)PP′,根據(jù)△APB≌△AB′P′,AP=AP′,PB=PB′,AB=AB′,根據(jù)∠PAP′=∠BAB′=60°,△APP′和△ABB′均為等邊三角形,得出PP′=AP,根據(jù),根據(jù)兩點(diǎn)之間線段最短得出點(diǎn)C,點(diǎn)P,點(diǎn)P′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=CB′,點(diǎn)P在CB′上即可;
(3)將△APB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°,得到△AP′B′,連結(jié)BB′,PP′,得出△APB≌△AP′B′,可證△APP′和△ABB′均為等邊三角形,得出PP′=AP,BB′=AB,∠ABB′=60°,根據(jù),可得點(diǎn)C,點(diǎn)P,點(diǎn)P′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=CB′,利用30°直角三角形性質(zhì)得出AB=2AC=2,根據(jù)勾股定理BC=,可求BB′=AB=2,根據(jù)∠CBB′=∠ABC+∠ABB′=30°+60°=90°,在Rt△CBB′中,B′C=即可;
(4)將△BCE逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△CE′B′,連結(jié)EE′,BB′,過點(diǎn)B′作B′F⊥AB,交AB延長(zhǎng)線于F,得出△BCE≌△CE′B′,BE=B′E′,CE=CE′,CB=CB′,可證△ECE′與△BCB′均為等邊三角形,得出EE′=EC,BB′=BC,∠B′BC=60°,,得出點(diǎn)C,點(diǎn)E,點(diǎn)E′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=AB′,根據(jù)四邊形ABCD為正方形,得出AB=BC=2,∠ABC=90°,可求∠FBB′=180°-∠ABC-∠CBB′=180°-90°-60°=30°,根據(jù)30°直角三角形性質(zhì)得出BF=,勾股定理BF=,可求AF=AB+BF=2+,再根據(jù)勾股定理AB′=即可.
【詳解】(1)解:連結(jié)PP′,∵≌,∴∠BAP=∠CAP′,∠APB=∠AP′C,AP=AP′=3,BP=CP′=4,
∵△ABC為等邊三角形,∴∠BAC=60°∴∠PAP′=∠PAC+∠CAP′=∠PAC+∠BAP=60°,
∴△APP′為等邊三角形,,∴PP′=AP=3,∠AP′P=60°,在△P′PC中,PC=5,,
∴△PP′C是直角三角形,∠PP′C=90°,∴∠AP′C=∠APP+∠PPC=60°+90°=150°,
∴∠APB=∠AP′C=150°,故答案為150°;
(2)證明:將△APB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°,得到△AB′P′,連結(jié)PP′,∵△APB≌△AB′P′,∴AP=AP′,PB=PB′,AB=AB′,
∵∠PAP′=∠BAB′=60°,∴△APP′和△ABB′均為等邊三角形,∴PP′=AP,
∵,∴點(diǎn)C,點(diǎn)P,點(diǎn)P′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=CB′,
∴點(diǎn)P在CB′上,∴過的費(fèi)馬點(diǎn).
(3)解:將△APB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°,得到△AP′B′,連結(jié)BB′,PP′,
∴△APB≌△AP′B′,∴AP′=AP,AB′=AB,
∵∠PAP′=∠BAB′=60°,∴△APP′和△ABB′均為等邊三角形,∴PP′=AP,BB′=AB,∠ABB′=60°,
∵∴點(diǎn)C,點(diǎn)P,點(diǎn)P′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=CB′,
∵,,,∴AB=2AC=2,根據(jù)勾股定理BC=∴BB′=AB=2,
∵∠CBB′=∠ABC+∠ABB′=30°+60°=90°,∴在Rt△CBB′中,B′C=
∴最小=CB′=;
(4)解:將△BCE逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△CE′B′,連結(jié)EE′,BB′,過點(diǎn)B′作B′F⊥AB,交AB延長(zhǎng)線于F,
∴△BCE≌△CE′B′,∴BE=B′E′,CE=CE′,CB=CB′,
∵∠ECE′=∠BCB′=60°,∴△ECE′與△BCB′均為等邊三角形,∴EE′=EC,BB′=BC,∠B′BC=60°,
∵,
∴點(diǎn)C,點(diǎn)E,點(diǎn)E′,點(diǎn)B′四點(diǎn)共線時(shí),最小=AB′,
∵四邊形ABCD為正方形,∴AB=BC=2,∠ABC=90°,∴∠FBB′=180°-∠ABC-∠CBB′=180°-90°-60°=30°,
∵B′F⊥AF,∴BF=,BF=,
∴AF=AB+BF=2+,∴AB′=,∴最小=AB′=.
【點(diǎn)睛】本題考查圖形旋轉(zhuǎn)性質(zhì),等邊三角形判定與性質(zhì),勾股定理,直角三角形判定與性質(zhì),兩點(diǎn)之間線段最短,四點(diǎn)共線,正方形性質(zhì),30°直角三角形性質(zhì),掌握?qǐng)D形旋轉(zhuǎn)性質(zhì),等邊三角形判定與性質(zhì),勾股定理,直角三角形判定與性質(zhì),兩點(diǎn)之間線段最短,四點(diǎn)共線,正方形性質(zhì),30°直角三角形性質(zhì)是解題關(guān)鍵.
例5.(2024·江蘇·??既#┤鐖D,四個(gè)村莊坐落在矩形ABCD的四個(gè)頂點(diǎn)上,公里,公里,現(xiàn)在要設(shè)立兩個(gè)車站E,F(xiàn),則的最小值為______公里.
【答案】15+10
【分析】將△AEB繞A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得△AGH,連接BH、EG,將△DFC繞點(diǎn)D逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△DF'M,連接CM、FM、FF',如圖2,此時(shí)EH、EF、FM共線,EA+EB+EF+FC+FD是最小值,利用旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)和等邊三角形的性質(zhì),相加即可得出結(jié)論.
【詳解】解:如圖1,將△AEB繞A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得△AGH,連接BH、EG,將△DFC繞點(diǎn)D逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△DF'M,連接CM、FF',
由旋轉(zhuǎn)得:AB=AH,AE=AG,∠EAG=∠BAH=60°,BE=GH,
∴△AEG和△ABH是等邊三角形,∴AE=EG,
同理得:△DFF'和△DCM是等邊三角形,DF=FF',F(xiàn)C=F'M,
∴當(dāng)H、G、E、F、F'、M在同一條直線上時(shí),EA+EB+EF+FC+FD有最小值,如圖2,
∵AH=BH,DM=CM,∴HM是AB和CD的垂直平分線,∴HM⊥AB,HM⊥CD,
∵AB=10,∴△ABH的高為5,
∴EA+EB+EF+FC+FD=EG+GH+EF+FF'+F'M=HM=15+5+5=15+10,
則EA+EB+EF+FC+FD的最小值是(15+10)公里.故答案為:(15+10).
【點(diǎn)睛】本題考查了矩形的性質(zhì)和最短路徑問題,旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)和等邊三角形的性質(zhì),確定最小值時(shí)點(diǎn)E和F的位置是本題的關(guān)鍵,利用全等、勾股定理求其邊長(zhǎng),從而得出結(jié)論.
模型2.加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn)模型
結(jié)論:點(diǎn)P為銳角△ABC內(nèi)任意一點(diǎn),連接AP、BP、CP,求xAP+yBP+zCP最小值。(加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn))
證明:第一步,選定固定不變線段;第二步,對(duì)剩余線段進(jìn)行縮小或者放大。
如:保持BP不變,xAP+yBP+zCP=,如圖,B、P、P2、A2四點(diǎn)共線時(shí),取得最小值。
例1.(2024·廣東廣州·一模)如圖,在矩形和矩形中,,,,.矩形繞著點(diǎn)A旋轉(zhuǎn),連接,,,.
(1)求證:;(2)當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度最大時(shí),①求的長(zhǎng)度;②在內(nèi)是否存在一點(diǎn)P,使得的值最小?若存在,求的最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
【答案】(1)見解析(2)①;②存在,最小值是
【分析】(1)根據(jù)矩形的性質(zhì),先證,利用相似三角形的性質(zhì)準(zhǔn)備條件,再證即可;(2)①先確定當(dāng)在矩形外,且三點(diǎn)共線時(shí),的長(zhǎng)度最大,并畫出圖形,在中求出的長(zhǎng),最利用的性質(zhì)求解即可;②將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),且使,連接,同理將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到, 且使,連接,過P作于S,過點(diǎn)L作垂直的延長(zhǎng)線于點(diǎn)Q,確定,當(dāng)C、P、K、L四點(diǎn)共線時(shí),的長(zhǎng)最小,再根據(jù)直角三角形的性質(zhì)和勾股定理求解即可.
【詳解】(1)證明:∵ ,,∴,
∵矩形和矩形,∴,,,∴,
∴,,∴,,
即,,∴
(2)∵,∴當(dāng)在矩形外,且三點(diǎn)共線時(shí),的長(zhǎng)度最大,如圖所示:
此時(shí),,
①∵,,∴,,
在中,,,
∴,由(1)得:,
∴, 即,∴;
②如圖,將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),且使,連接,同理將繞著點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),得到, 且使,連接,
由旋轉(zhuǎn)可得:,∴,∴,∴,
過P作于S,則 ,,
∴,則 , ∴,∴,
∵,即,當(dāng)C、P、K、L四點(diǎn)共線時(shí),的長(zhǎng)最小,
由題意,,, ,,
過點(diǎn)L作垂直的延長(zhǎng)線于點(diǎn)Q,,
∴,,則,
在中,根據(jù)勾股定理得,∴的最小值為.
【點(diǎn)睛】本題是一道壓軸題,主要考查了矩形的判定與性質(zhì),相似三角形的判定與性質(zhì),旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),解直角三角形,等腰三角形的判定,最短路徑等知識(shí),涉及知識(shí)點(diǎn)較多,綜合性強(qiáng),熟練掌握相關(guān)的知識(shí)與聯(lián)系,適當(dāng)添加輔助線是解答的關(guān)鍵.
例2.(2024·重慶·二模)已知中,點(diǎn)和點(diǎn)是平面內(nèi)兩點(diǎn),連接,和,.
(1)如圖1,若,,,求的長(zhǎng)度;(2)如圖2,連接和,點(diǎn)為中點(diǎn),點(diǎn)為中點(diǎn),連接和,若,求證:;(3)若,,當(dāng)取得最小值,且取得最大值時(shí),直接寫出的面積.
【答案】(1)(2)見解析(3)
【分析】(1)過點(diǎn)作交于點(diǎn),證明即可求解;
(2)取的中點(diǎn),連接,根據(jù)中位線的性質(zhì),直角三角形中斜邊上的中線等于斜邊的一半,得出,再證明,得出,進(jìn)而即可得證;
(3)將繞點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)得到,將繞點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接, 根據(jù),當(dāng)四點(diǎn)共線時(shí),最小,進(jìn)而確定的位置,根據(jù)點(diǎn)在為圓心,為半徑的圓上運(yùn)動(dòng),由點(diǎn)到圓上的距離關(guān)系,得出當(dāng)取得最大值時(shí),在的延長(zhǎng)線上,連接,過點(diǎn)作于點(diǎn),進(jìn)而解直角三角形,求得的長(zhǎng),根據(jù)三角形面積公式,即可求解.
【詳解】(1)解:如圖所示,過點(diǎn)作交于點(diǎn),
∵中,∴,,
∵,,∴,.
又∵,∴∴∴;
(2)解:如圖所示,取的中點(diǎn),連接,
又∵是,,∴,
∵∴,∵,為的中點(diǎn),∴,
在中,∴∴
∴即
又∵即,∴∴
∵∴∴
(3)解:∵中,,∴是等邊三角形,
如圖所示,將繞點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)得到,將繞點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
∴,,,則是等邊三角形, 是等邊三角形,
∵取的中點(diǎn),則,
∵是的中點(diǎn),,,∴
∴當(dāng)四點(diǎn)共線時(shí),最小 此時(shí)如圖所示,∴
∵,∴,∴是直角三角形,∴是直角三角形,∴
∵∴∴設(shè),則,,
在中,∵是等邊三角形,∴,
在中,∴∴解得:
∴,取的中點(diǎn),連接,
∵∴點(diǎn)在為圓心,為半徑的圓上運(yùn)動(dòng),
∴,∴當(dāng)取得最大值時(shí),在的延長(zhǎng)線上,連接,過點(diǎn)作于點(diǎn),
在中,,∴,
∴,∴,
∴的面積為.
【點(diǎn)睛】本題考查了全等三角形的性質(zhì)與判定,等腰三角形的性質(zhì)與判定,等邊三角形的性質(zhì)與判定,三角形中位線的性質(zhì),旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),直角三角形中斜邊上的中線等于斜邊的一半,相似三角形的性質(zhì)與判定,加權(quán)費(fèi)馬點(diǎn)問題,點(diǎn)與圓的位置關(guān)系,直徑所對(duì)的圓周角是直角;熟練掌握以上知識(shí)是解題的關(guān)鍵.
例3.(23-24九年級(jí)上·重慶·階段練習(xí))在等邊中,點(diǎn)D是邊上一點(diǎn),連接,將線段繞點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到線段,則,,連接交于點(diǎn)F,交于點(diǎn)H.
(1)如圖1,當(dāng)點(diǎn)D為中點(diǎn)時(shí),且,求的面積;(2)如圖2,猜想線段、、之間的數(shù)量關(guān)系,并證明你的猜想;(3)如圖3,若,在內(nèi)部有一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P,連接、、,直接寫出的最小值.
【答案】(1)(2),見解析(3)
【分析】(1)過點(diǎn)E作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)M,求得,,,利用計(jì)算即可.(2)在上取點(diǎn)M使,連接.則由可證明,從而有,;再由證明,得,則由線段的和差關(guān)系可得結(jié)論;(3)過點(diǎn)C作于點(diǎn)C,使得,過點(diǎn)C作于點(diǎn)C,使得,證明,得到,根據(jù)勾股定理,得,從而得到,根據(jù)兩點(diǎn)之間線段最短,得到,得到當(dāng)共線時(shí),取得最小值,過點(diǎn)A作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)Q,過點(diǎn)A作于點(diǎn)R,則四邊形是矩形,利用等邊三角形的性質(zhì),勾股定理解答即可.
【詳解】(1)解:過點(diǎn)E作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)M,
∵等邊,∴,,
∵點(diǎn)D為中點(diǎn), ∴,,
∵,,,∴,由勾股定理得,解得;
∵,,∴,∴.
(2)解:.理由如下:在上取點(diǎn)M使,連接.
∵是等邊三角形,∴,,
在和中,,∴,
∴,,∴,
∵,,
∴,在和中,,∴,
∴,即,∵,∴.
(3)解:過點(diǎn)C作于點(diǎn)C,使得,過點(diǎn)C作于點(diǎn)C,使得,根據(jù)題意,得,,∴,∴,
∴,∴,根據(jù)勾股定理,得,
∴,∴,
∵,∴當(dāng)共線時(shí),取得最小值,
∵,∴,∴,
過點(diǎn)A作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)Q,過點(diǎn)A作于點(diǎn)R,則四邊形是矩形,
∴,∵等邊,∴,,
∴
,∴,
故的最小值為.
【點(diǎn)睛】本題考查了等邊三角形的判定和性質(zhì),勾股定理,矩形的判定和性質(zhì),三角形相似的判定和性質(zhì),含30度直角三角形的性質(zhì),三角形全等的判定和性質(zhì),熟練掌握相應(yīng)的知識(shí)是解題的關(guān)鍵.本題有一定的難度,添加適當(dāng)?shù)妮o助線是解題的關(guān)鍵.
1.(2023春·湖北武漢·九年級(jí)??茧A段練習(xí))如圖,點(diǎn)M是矩形內(nèi)一點(diǎn),且,,N為邊上一點(diǎn),連接、、,則的最小值為______.
【答案】
【分析】將繞點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接、,然后即可得為等邊三角形,同理為等邊三角形,接著證明當(dāng)、、三條線段在同一直線上,的值最小,即的值最小,過點(diǎn)作于點(diǎn)E,即最小值為:,問題隨之得解.
【詳解】如圖所示,將繞點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接、,
根據(jù)旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)有:,,,
為等邊三角形,同理為等邊三角形,
,,,
當(dāng)線段、、三條線段在同一直線上,且該直線與垂直時(shí),的值最小,即的值最小,如下圖,過點(diǎn)作于點(diǎn)E,交于點(diǎn)F,
最小值為:,在矩形中,于點(diǎn)E,
即可知四邊形是矩形,,即,
為等邊三角形,,,
,,
的最小值為,故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題主要考查了旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),矩形的性質(zhì),等邊三角形的判定定理與性質(zhì),勾股定理,垂線段最短等知識(shí),作出合理的輔助線是解答本題的關(guān)鍵.
2.(2023·廣東深圳·二模)如圖,是等邊三角形,M是正方形ABCD對(duì)角線BD(不含B點(diǎn))上任意一點(diǎn),,(點(diǎn)N在AB的左側(cè)),當(dāng)AM+BM+CM的最小值為時(shí),正方形的邊長(zhǎng)為______.
【答案】
【分析】首先通過SAS判定,得出,因?yàn)?,得出是等邊三角形,AM+BM+CM=EN+MN+CM,而且為最小值,我們可以得出EC=,作輔助線,過點(diǎn)E作交CB的延長(zhǎng)線于F,由題意求出,設(shè)正方形的邊長(zhǎng)為x,在中,根據(jù)勾股定理求得正方形的邊長(zhǎng)為.
【詳解】∵為正三角形,∴,∴
∵BD是正方形ABCD的對(duì)角線,∴∴.
在和中,∴(SAS)∴
在中,又∵,∴為等邊三角形,∴.
∵AM+BM+CM最小值為.∴EN+MN+CM的最小值為即CE=.
過點(diǎn)E作交CB的延長(zhǎng)線于F,可得.
設(shè)正方形的邊長(zhǎng)為x,則BF=,.
在,∵,∴
解得(負(fù)值舍去).∴正方形的邊長(zhǎng)為.故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題考查了等邊三角形和正方形邊相等的性質(zhì),全等三角形的判定,靈活使用輔助線,掌握直角三角的性質(zhì),熟練運(yùn)用勾股定理是解題的關(guān)鍵.
3.(24-25九年級(jí)上·湖南長(zhǎng)沙·階段練習(xí))法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬提出:在△ABC內(nèi)存在一點(diǎn)P,使它到三角形頂點(diǎn)的距離之和最?。藗兎Q這個(gè)點(diǎn)為費(fèi)馬點(diǎn),此時(shí)PA+PB+PC的值為費(fèi)馬距離.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):在銳角△ABC中,費(fèi)馬點(diǎn)P滿足∠APB=∠BPC=∠CPA=120°,如圖,點(diǎn)P為銳角△ABC的費(fèi)馬點(diǎn),且PA=3,PC=4,∠ABC=60°,則費(fèi)馬距離為 .
【答案】7+2
【分析】根據(jù)相似三角形的判定和性質(zhì),即可求解.
【詳解】解:如圖:∵∠APB=∠BPC=∠CPA=120,∠ABC=60°,
∴∠1+∠3=60°,∠1+∠2=60°,∠2+∠4=60°,∴∠1=∠4,∠2=∠3,∴△BPC∽△APB
∴ 即PB2=12∴ ∴ 故答案為:
【點(diǎn)睛】本題考查了軸對(duì)稱-最短路線問題,解決本題的關(guān)鍵是利用相似三角形的判定和性質(zhì).
4.(2023·四川成都·二模)如圖,矩形中,,點(diǎn)E是的中點(diǎn),點(diǎn)F是邊上一動(dòng)點(diǎn).將沿著翻折,使得點(diǎn)B落在點(diǎn)處,若點(diǎn)P是矩形內(nèi)一動(dòng)點(diǎn),連接,則的最小值為 .
?
【答案】/
【分析】本題考查了圖形的折疊與旋轉(zhuǎn),兩點(diǎn)之間線段最短的應(yīng)用,勾股定理等知識(shí)點(diǎn),將繞點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,連接,由等腰三角形得出,再由折疊得出點(diǎn)的軌跡在以點(diǎn)E為圓心,為半徑的圓周上,所以的最小值為,即的最小值為,經(jīng)計(jì)算得出答案即可,熟練掌握?qǐng)D形的旋轉(zhuǎn)及圖形的折疊對(duì)稱的性質(zhì)是解決此題的關(guān)鍵.
【詳解】將繞點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,連接,
則三點(diǎn)共線,,∴,∴,
∵點(diǎn)E是的中點(diǎn),∴,∵,
∴,由折疊成,∴,
∴點(diǎn)在以點(diǎn)E為圓心,為半徑的圓上,∴,
∵兩點(diǎn)間線段最短,∴,即,
∴,∴,
則的最小值為,故答案為:.
5.(2023·四川·校聯(lián)考模擬預(yù)測(cè))如圖,在中,P為平面內(nèi)的一點(diǎn),連接,若,則的最小值是( )
A.B.36C.D.
【答案】A
【分析】分別以、為邊在下方構(gòu)造等邊三角形、,分別取、中點(diǎn),連接,先證得,可得,由中位線可得,由等邊三角形性質(zhì)可得,當(dāng)三點(diǎn)共線時(shí)即可求得的最小值,最終求出的最小值.
【詳解】分別以、為邊在下方構(gòu)造等邊三角形、,分別取、中點(diǎn),連接,如圖所示,
∵取、中點(diǎn),∴,∵等邊三角形,∴,
∵等邊三角形,∴,,
∴,∴,∴,
∴,∴,
∴當(dāng)三點(diǎn)共線時(shí)最小,
∵∴,∵,∴,
∴,∴,
∴的最小值為,故選:A.
【點(diǎn)睛】本題考查等邊三角形的性質(zhì)、中位線的性質(zhì)、勾股定理等知識(shí)點(diǎn),解題的關(guān)鍵是利用手拉手模型構(gòu)造輔助線.
6.(23-24九年級(jí)上·重慶渝中·自主招生)如圖,E是邊長(zhǎng)為8的正方形的邊上的動(dòng)點(diǎn),于點(diǎn)F,G在上,且,P是平面內(nèi)一動(dòng)點(diǎn),H是上的動(dòng)點(diǎn),則的最小值為 .
【答案】
【分析】連接,以為斜邊構(gòu)造等腰直角三角形,則以O(shè)為圓心,以為半徑的圓中的一個(gè)銳角圓周角為,過點(diǎn)O作于點(diǎn)Q,過點(diǎn)O作交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)P,,利用旋轉(zhuǎn)解答即可.
【詳解】解:連接,根據(jù)題意,得,
∵,,∴∴,
以為斜邊構(gòu)造等腰直角三角形,則以O(shè)為圓心,以為半徑的圓中的一個(gè)銳角圓周角為,
根據(jù),得對(duì)角互補(bǔ),∴G的運(yùn)動(dòng)軌跡為以O(shè)為圓心,以為半徑的圓的紅色圓弧,
過點(diǎn)O作于點(diǎn)Q,過點(diǎn)O作交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)P,
則四邊形是正方形,且,
∴,,取,連接,
∵,,∴,且,∴,
∴,∴,將四邊形繞點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn),
則,如圖作,∴,∴,
∴
∴.故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題考查了正方形的判定和性質(zhì),旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),三角形相似的判定和性質(zhì),三角形不等式的應(yīng)用,熟練掌握旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),三角形相似的判定和性質(zhì),三角形不等式的應(yīng)用是解題的關(guān)鍵.
7.(2024·湖北·模擬預(yù)測(cè))閱讀以下材料并完成問題
材料一:數(shù)形結(jié)合是一種重要的數(shù)學(xué)思想如可看做是圖一中的長(zhǎng),可看做是的長(zhǎng).
材料二:費(fèi)馬點(diǎn)問題是一個(gè)古老的數(shù)學(xué)問題.費(fèi)馬點(diǎn)即在中有一點(diǎn)使得的值最?。▽W(xué)家費(fèi)馬給出的證明方法如下:
將繞點(diǎn)向外旋轉(zhuǎn)得到,并連接易得是等邊三角形、,則,則,所以的值最小為.
請(qǐng)結(jié)合以上兩材料求出的最小值
【答案】
【分析】本題考查坐標(biāo)與圖形,含30度角的直角三角形的性質(zhì),等邊三角形的性質(zhì),勾股定理,將原式轉(zhuǎn)化為,構(gòu)造直角三角形,,,以為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)造直角坐標(biāo)系,設(shè)為,進(jìn)而得到,,,將繞點(diǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,并做,根據(jù)旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),含30度角的性質(zhì),求出的長(zhǎng),根據(jù),進(jìn)行求解即可.
【詳解】解:原式
可看做下圖中的,其中為,
則,,
將繞點(diǎn)點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,并做
,,,,,
,為等邊三角形,,,,
又,
∵,∴,
∴的最小值為;的最小值為.
8.(2023上·廣東珠?!ぐ四昙?jí)??计谥校┚C合與實(shí)踐:
【問題情境】學(xué)完等邊三角形后,老師在課堂上提出了一個(gè)問題并證明了:如圖1,等邊與等邊共一個(gè)頂點(diǎn)時(shí),無論怎么擺放可通過恒有.于是提出了如下問題.
【問題證明】(1)如圖2,M是等腰內(nèi)一點(diǎn),N是等邊內(nèi)一點(diǎn),且滿足.求證:是等邊三角形.
【遷移應(yīng)用】(2)在(1)的基礎(chǔ)上,知點(diǎn)M是等腰內(nèi)一點(diǎn),當(dāng)點(diǎn)M到三角形3個(gè)頂點(diǎn)的距離之和,即最小時(shí),我們把M點(diǎn)稱為等腰的“紫荊點(diǎn)”.若M是等腰的紫荊點(diǎn),求.
完成以下推導(dǎo)過程:(①填理由;②填線段;③與④填關(guān)系式)
解:如圖3,令,分別是等腰,等邊內(nèi)一點(diǎn),且滿足∴
∵是等邊三角形 ∴,
由 ① 可知:∴的最小值的最小值= ②
∴如圖4,當(dāng)D、N、M、C在一條直線上時(shí).M是等腰的紫荊點(diǎn)
∴ ③ ; ④ ∴
【拓展提升】(3)甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)等腰“紫荊點(diǎn)”的作法:如圖5,已知,在AB的左側(cè)作等邊.連接,與的角平分線交于點(diǎn)M,點(diǎn)M就是“紫荊點(diǎn)”,甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)是否正確?請(qǐng)說明理由.
【答案】(1)見詳解(2)①兩點(diǎn)之間,線段最短,②③④(3)正確,理由見詳解
【分析】(1)因?yàn)?,所以,,因?yàn)槭堑冗吶切?,則,故,即可證明是等邊三角形;(2)依題意,由的最小值的最小值,知道①填寫的內(nèi)容是兩點(diǎn)之間,線段最短,即②填寫的是;根據(jù),又因?yàn)橐约班徰a(bǔ)角性質(zhì),故,因?yàn)槿切瓮饨切再|(zhì),知,結(jié)合推導(dǎo)前后內(nèi)容,即可作答;(3)連接,在上取點(diǎn)N,使,根據(jù)是等腰的角平分線,得,結(jié)合,所以,證明,得,,證明是等邊三角形,,,即可作答.
【詳解】(1)證明:∵,∴,,
∵是等邊三角形,則,∴
∵,∴是等邊三角形;
(2)解:如圖3,令,分別是等腰,等邊內(nèi)一點(diǎn),且滿足∴
∵是等邊三角形∴,
由兩點(diǎn)之間,線段最短可知:∴的最小值的最小值
∴如圖4,當(dāng)D、N、M、C在一條直線上時(shí).M是等腰的紫荊點(diǎn)
∴;
∴
(3)正確,證明如下:如圖:連接,在上取點(diǎn)N,使,連接,
∵是等腰三角形∴∵是等腰的角平分線,∴
∵,∴∴,
∵是等邊三角形,是等腰三角形∴∴
∵∴∴,,
∴,∴是等邊三角形,
則,即,
結(jié)合“紫荊點(diǎn)”的定義,則甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)是正確的.
【點(diǎn)睛】本題考查了全等三角形的判定與性質(zhì)、以及等腰三角形的性質(zhì)和等邊三角形的性質(zhì)與判定,綜合性較強(qiáng),熟練掌握作輔助線證明三角形全等是解題的關(guān)鍵.
9.(2024·陜西西安·二模)問題提出
(1)如圖1,在等邊內(nèi)部有一點(diǎn)P,,,,則______.
問題解決(2)如圖2,五邊形ABCDE是某公園局部平面圖,,,,,,.現(xiàn)需要在該五邊形內(nèi)部修建一條人工小溪,并建造一座觀賞橋梁PQ和三條觀光路AP,CQ,DQ,且,.已知觀賞橋梁修建費(fèi)用每米2a元和觀光路修建費(fèi)用每米a元.是否存在點(diǎn)P,使得修建橋梁和觀光路總費(fèi)用最低?若存在,請(qǐng)用含有a的代數(shù)式表示出總費(fèi)用最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
【答案】(1)150°;(2)最小的總費(fèi)用為元
【分析】(1)、將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得,則可得為等邊三角形,由勾股定理逆定理可得:,即可求解;(2)、連接BE,BP,EP,將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,連接由(1)方法可得最小,即需最小,所以當(dāng)A,P,,四點(diǎn)共線時(shí),由勾股定理求解即可.
【詳解】(1)解:如圖3,將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得,
則,,為等邊三角形,∴,
,∵,∴,∴,∴;
(2)如圖4,連接BE,BP,EP,修橋梁費(fèi)用為100a,修觀光路費(fèi)用為.
∵,,∴四邊形BCQP是平行四邊形,四邊形PQDE是平行四邊形,
∴,,∴要使最小,則需最?。?br>將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,連接.∴是等邊三角形,
∴,,∴,
當(dāng)A,P,,四點(diǎn)共線時(shí),最小,∴的最小值為,
如圖5,延長(zhǎng),過點(diǎn)A作,垂足為點(diǎn)H,
∵,,∴.
∵,∴,∴,
∵,∴,,
在中,由勾股定理,得,
∴最小的總費(fèi)用為元.
【點(diǎn)睛】本題考查了三角形旋轉(zhuǎn),等邊三角形判定和性質(zhì),平行四邊形的判定與性質(zhì),勾股定理等知識(shí),利用三角形旋轉(zhuǎn)性質(zhì)作出輔助三角形是解題的關(guān)鍵.
10.(2024·陜西咸陽·模擬預(yù)測(cè))(1)如圖①,在中,,,P為內(nèi)一點(diǎn),求的最小值.為了求的最小值,小明是這樣做的:將繞點(diǎn)A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,則,連接.此時(shí)小明發(fā)現(xiàn),且,則為等邊三角形,于是.試著根據(jù)小明的思路,求出的最小值.
(2)如圖②,某牧場(chǎng)有一塊矩形空地,其中米,米,點(diǎn)E在邊上且米,F(xiàn)為邊上任意一點(diǎn),點(diǎn)A關(guān)于的對(duì)稱點(diǎn)為.牧場(chǎng)主欲在四邊形的四條邊上裝上柵欄飼養(yǎng)土雞,并將B點(diǎn)、C點(diǎn)分別作為牛棚和羊棚的入口,若要在矩形內(nèi)一點(diǎn)P處打一口井,并修建地下管道,,.請(qǐng)問:是否存在一點(diǎn)P,使的值最?。咳绻嬖?,請(qǐng)求出的最小值及此時(shí)的長(zhǎng);如果不存在,請(qǐng)說明理由.
【答案】(1);(2)存在,的最小值為300,的長(zhǎng)為米
【分析】本題考查了旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),等邊三角形的判定及性質(zhì),勾股定理,直角三角形的特征,矩形的性質(zhì),特殊角三角函數(shù),相似三角形的判定及性質(zhì).(1)連接,由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)得到,,,再由勾股定理得即可解答.(2)連接,作點(diǎn)A關(guān)于的對(duì)稱點(diǎn),則點(diǎn)的軌跡為弧,將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,連接,,,.由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)得,,,,當(dāng)E,,P,,C五點(diǎn)共線時(shí),取得最小值,過點(diǎn)作于點(diǎn)H,交于點(diǎn)M,證得為等邊三角形,再由特殊角的三角函數(shù)得到,米,則,再根據(jù)勾股定理得的值,設(shè)交于點(diǎn)N,過點(diǎn)B作于點(diǎn)Q,易證,即可解答.
【詳解】解:(1)如圖①,連接.
根據(jù)小明的思路可知,,,則.
∵,,
在中,,
當(dāng)C,P,,E四點(diǎn)共線時(shí)取得最小值,的最小值為.
(2)存在.∵點(diǎn)A,關(guān)于對(duì)稱,米,點(diǎn)在以點(diǎn)E為圓心,50米為半徑的圓弧上.
如圖②,連接,作點(diǎn)A關(guān)于的對(duì)稱點(diǎn),則點(diǎn)的軌跡為弧.
由(1)同理可得,將繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到,連接,,,.由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)得,,,為等邊三角形,
,
∵,米.
當(dāng)E,,P,,C五點(diǎn)共線時(shí),取得最小值,最小值為,此時(shí)點(diǎn)為與弧的交點(diǎn). 過點(diǎn)作于點(diǎn)H,交于點(diǎn)M.
∵,為等邊三角形,米.
∵,,,(米),
在中,(米).
易得米,米,
則(米),(米),
在中,(米),
(米),的最小值為300.
設(shè)交于點(diǎn)N,過點(diǎn)B作于點(diǎn)Q.,,
,即,米,米,
米,,,
,,米,易知當(dāng)取得最小值時(shí),,
在中,(米).
答:的最小值為300,此時(shí)的長(zhǎng)為米.
11.(23-24八年級(jí)下·陜西·階段練習(xí))課本再現(xiàn):
(1)把兩個(gè)全等的矩形和矩形拼成如圖1的圖案,則的度數(shù)為________;
圖1 圖2 圖3
遷移應(yīng)用:(2)如圖2,在正方形中,E是邊上一點(diǎn)(不與點(diǎn)C、D重合),連接,將繞點(diǎn)E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至,作射線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)G,求證:;
拓展延伸:(3)如圖3,在菱形中,,E是邊上一點(diǎn)(不與點(diǎn)C、D重合),連接,將繞點(diǎn)E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至,作射線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)G.
①線段與的數(shù)量關(guān)系是________②連接,點(diǎn)P為內(nèi)一點(diǎn),連接.若,則的最小值為________.
【答案】(1)90;(2)見解析;(3)①;②
【分析】(1)先證明,可得,從而得到,由此可得答案;(2)過點(diǎn)F作交延長(zhǎng)線于點(diǎn)H,結(jié)合正方形的性質(zhì)和旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)證明,可得,從而得到,進(jìn)而得到是等腰直角三角形,即可證明結(jié)論;
(3)①過點(diǎn)F作,與的延長(zhǎng)線交于點(diǎn)H,可證得,從而得到,,,進(jìn)而得到,,繼而得到;
②把繞點(diǎn)B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),點(diǎn)P的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為點(diǎn)N,點(diǎn)A的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為點(diǎn)M,過點(diǎn)M作的垂線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)H,得為等邊三角形,求出,當(dāng)點(diǎn)四點(diǎn)共線時(shí),的值最小,即的長(zhǎng),可得的最小值為的長(zhǎng),根據(jù)勾股定理可求解
【詳解】解:(1)∵矩形和矩形是全等矩形,∴,
在和中,,∴,∴,
∵,∴,∴;故答案為:90;
(2)如圖,過點(diǎn)F作交延長(zhǎng)線于點(diǎn)H,
∵四邊形是正方形,∴,∴,
由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)得:,∵,∴,
在和中,,∴,∴,
∴,∴,∴,∴,∴,∴,
∵,∴是等腰直角三角形,∴;
(3)①過點(diǎn)F作,與的延長(zhǎng)線交于點(diǎn)H,
∵四邊形是菱形,∴,由旋轉(zhuǎn)得,
∴,∴,∴,
∴,∴,∴,
∴,∴,∴,
∵,∴,∴是直角三角形,
∵,∴,故答案為:;
②如圖,把繞點(diǎn)B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),點(diǎn)P的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為點(diǎn)N,點(diǎn)A的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為點(diǎn)M,過點(diǎn)M作的垂線交的延長(zhǎng)線于點(diǎn)H,則,
∴是等邊三角形,∴∴,
當(dāng)點(diǎn)四點(diǎn)共線時(shí),的值最小,最小值為線段的長(zhǎng),
∵四邊形是菱形,且,∴,,
∴,∴,∴,∴,
又,∴,∴,
故答案為:.
【點(diǎn)睛】本題考查了正方形的性質(zhì)、矩形的性質(zhì)、菱形的性質(zhì)、全等三角形的判定與性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)、等腰直角三角形的判定與性質(zhì)、等邊三角形的判定與性質(zhì),含角的直角三角形的性質(zhì)以及勾股定理等知識(shí),本題綜合性強(qiáng),熟練掌握正方形、矩形、菱形的性質(zhì)以及旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),證明三角形全等是解題的關(guān)鍵
12.(23-24九年級(jí)上·重慶江津·階段練習(xí))如圖,在中,,,于點(diǎn)D.點(diǎn)G是射線AD上一點(diǎn),過G作分別交AB、AC于點(diǎn)E、F:
(1)如圖①所示,若點(diǎn)E,F(xiàn)分別在線段AB,AC上,當(dāng)點(diǎn)G與點(diǎn)D重合時(shí),求證:;
(2)如圖②所示,當(dāng)點(diǎn)G在線段AD外,且點(diǎn)E與點(diǎn)B重合時(shí),猜想AE,AF與AG之間存在的數(shù)量關(guān)系并說明理由;(3)當(dāng)點(diǎn)G在線段AD上時(shí),請(qǐng)直接寫出的最小值.
參考公式:
【答案】(1)證明見詳解(2),理由如下(3)
【分析】(1)根據(jù)等腰三角形的性質(zhì)和全等三角形的性質(zhì)即可求證;
(2)過點(diǎn)作上交延長(zhǎng)線于點(diǎn),由等腰直角三角形可得,,由“ “可證,可得,可得結(jié)論;
(3)將繞點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到△,連接,,過點(diǎn)作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn),由旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)可得,則當(dāng)點(diǎn),點(diǎn),點(diǎn),點(diǎn)共線時(shí),的值最小,最小值為的長(zhǎng),由角所對(duì)直角邊是斜邊一半和勾股定理可求解.
【詳解】(1)解:由題:在中,,,于點(diǎn),,
則也是上的中點(diǎn),即是的垂直平分線,
,,,,
,,.
(2),理由如下:如圖1,過點(diǎn)作交延長(zhǎng)線于點(diǎn),
, ,
,,,,
,,,,,
又,,,.
(3)如圖2,將繞點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到△,連接,
,過點(diǎn)作,交的延長(zhǎng)線于點(diǎn),
,,,,,是等邊三角形,
,,當(dāng)點(diǎn),點(diǎn),點(diǎn),點(diǎn)共線時(shí),
的值最小,最小值為的長(zhǎng),
,,,,
,,的最小值為:.
【點(diǎn)睛】考查綜合運(yùn)用旋轉(zhuǎn)的知識(shí)作輔助線證明的能力,用旋轉(zhuǎn)的知識(shí)解決幾何最值問題,對(duì)于與等腰直角三角形有關(guān)的證明題往往要進(jìn)行圖形的旋轉(zhuǎn),把要證明的要素集中到一個(gè)熟悉的圖形中進(jìn)行,最值問題常常要通過軸對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)把要求的線段之和或差轉(zhuǎn)化為俱有固定端點(diǎn)的折線,然后據(jù)兩點(diǎn)之間線段最短來解決.
13.(2023.河南四模)閱讀材料:平面幾何中的費(fèi)馬問題是十七世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家、被譽(yù)為業(yè)余數(shù)學(xué)家之王的皮埃爾·德·費(fèi)馬提出的一個(gè)著名的幾何問題.1643年,在一封寫給意大利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家托里拆利的私人信件中,費(fèi)馬提出了下面這個(gè)極富挑戰(zhàn)性和趣味性的幾何難題,請(qǐng)求托里拆利幫忙解答:給定不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)A,B,C,求平面上到這三個(gè)點(diǎn)的距離之和最短的點(diǎn)P的位置.托里拆利成功地解決了費(fèi)馬的問題.后來人們就把平面上到一個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A,B,C距離之和最小的點(diǎn)稱為ABC的費(fèi)馬-托里拆利點(diǎn),也簡(jiǎn)稱為費(fèi)馬點(diǎn)或托里拆利點(diǎn).問題解決:
(1)費(fèi)馬問題有多種不同的解法,最簡(jiǎn)單快捷的還是幾何解法.如圖1,我們可以將BPC繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到BDE,連接PD,可得BPD為等邊三角形,故PD=PB,由旋轉(zhuǎn)可得DE=PC,因PA+PB+PC=PA+PD+DE,由 可知,PA+PB+PC的最小值與線段 的長(zhǎng)度相等;
(2)如圖2,在直角三角形ABC內(nèi)部有一動(dòng)點(diǎn)P,∠BAC=90°,∠ACB=30°,連接PA,PB,PC,若AB=2,求PA+PB+PC的最小值;(3)如圖3,菱形ABCD的邊長(zhǎng)為4,∠ABC=60°,平面內(nèi)有一動(dòng)點(diǎn)E,在點(diǎn)E運(yùn)動(dòng)過程中,始終有∠BEC=90°,連接AE、DE,在ADE內(nèi)部是否存在一點(diǎn)P,使得PA+PD+PE最小,若存在,請(qǐng)直接寫出PA+PD+PE的最小值;若不存在,請(qǐng)說明理由.
【答案】(1)兩點(diǎn)之間,線段最短;AE;(2)2;(3)存在,2-2
【分析】(1)連接AE,由兩點(diǎn)之間線段最短即可求解;
(2)在Rt△ABC中先求出AC,將△BPC繞點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△CDE,連接PD、AE,由兩點(diǎn)之間線段最短可知,PA+PB+PC的最小值與線段AE的長(zhǎng)度相等,根據(jù)勾股定理即可求解;
(3)在△ADE內(nèi)部取一點(diǎn)P,連接PA、PD、PE,把△PAD饒點(diǎn)D順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△FGD,根據(jù)旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)和兩點(diǎn)之間線段最短可知,PA+PD+PE的最小值與線段GE的長(zhǎng)度相等,再根據(jù)圓的特點(diǎn)、菱形與勾股定理即可求出GE,故可求解.
【詳解】(1)連接AE,如圖,由兩點(diǎn)之間線段最短可知,PA+PB+PC的最小值為線段AE的長(zhǎng)
故答案為:兩點(diǎn)之間線段最短;AE;
(2)∵在Rt△ABC中,∠BAC=90°,∠ACB=30°,AB=2
∴BC=2AB=4由勾股定理可得AC=
如圖2,將△BPC繞點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△CDE,連接PD、AE,可得△CPD為等邊三角形,∠BCE=60°
∴PD=PC 由旋轉(zhuǎn)可得DE=PB,CE=BC=4 ∴PA+PB+PC=PA+DE+PD
由兩點(diǎn)之間線段最短可知,PA+PB+PC的最小值與線段AE的長(zhǎng)度相等
∵∠ACE=∠ACB+∠BCE=30°+60°=90° ∴在Rt△ACE中,AE=
即PA+PB+PC的最小值為2;
(3)存在在ADE內(nèi)部是否存在一點(diǎn)P,使得PA+PD+PE最小,
如圖3,在△ADE內(nèi)部取一點(diǎn)P,連接PA、PD、PE,把△PAD饒點(diǎn)D順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到△FGD,連接PF、GE、AG,可得△PDF、△ADG均為等邊三角形
∴PD=PF 由旋轉(zhuǎn)可得PA=GF
∴PA+PD+PE=GF+PF+PE,兩點(diǎn)之間線段最短可知,PA+PD+PE的最小值與線段GE的長(zhǎng)度相等
∵∠BEC=90°∴點(diǎn)E在以BC為直徑的O上,如圖3 則OB=OC==2
如圖3,連接OG交O于點(diǎn)H,連接CG交AD于點(diǎn)K,連接AC,則當(dāng)點(diǎn)E與點(diǎn)H重合時(shí),GE取最小值,即PA+PD+PE的最小值為線段GH的長(zhǎng)
∵菱形ABCD的邊長(zhǎng)為4,∠ABC=60°∴AB=BC=CD=AD=4
∴△ABC、△ACD均為等邊三角形∴AC=CD=AD=DG=AG=4,∠ACB=∠ACD=60°
∴四邊形ACDG是菱形,∠ACG=∠ACD=30° ∴CG、AD互相垂直平分
∴DK=AD=2∴根據(jù)勾股定理得CK=∴CG=2CK=
∵∠OCG=∠ACB+∠ACG=60°+30°=90°∴在Rt△OCG中,OG=
∵OH=OC=2∴GH=OG-OH=2-2即PA+PD+PE的最小值為2-2.
【點(diǎn)睛】此題主要考查四邊形與圓綜合的最短距離,解題的關(guān)鍵是熟知旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)、圓周角定理及兩點(diǎn)之間的距離特點(diǎn).
14.(23-24九年級(jí)上·湖北襄陽·自主招生)(1)如圖在內(nèi)部有一點(diǎn),是正三角形,連接、、,將線段繞順時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)至,①求證:;②調(diào)整P點(diǎn)的位置,使最小,求此時(shí)和的大小.(2)如圖在直角三角形中,,,在其內(nèi)部任取一點(diǎn),求的最小值.
【答案】(1)①證明見解析部分②,(2)
【分析】(1)①證明,可得結(jié)論;②利用兩點(diǎn)之間線段最短以及全等三角形的性質(zhì)解決問題即可;(2)如圖(2)中,將繞點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,,,過點(diǎn)作交的延長(zhǎng)線于點(diǎn).求出的值,可得結(jié)論.
【詳解】(1)①證明:,,是等邊三角形,,,
,,
,,,,;
②解:,當(dāng),,,共線時(shí),的值最小,
此時(shí),,;
(2)解:如圖(2)中,將繞點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,,,過點(diǎn)作交的延長(zhǎng)線于點(diǎn).
,,是等邊三角形,,,
,當(dāng),,,三點(diǎn)共線時(shí),的值最小,最小值為線段的長(zhǎng),
,,,,,,
,,,,
.的最小值為.
【點(diǎn)睛】本題屬于三角形綜合題,考查了等邊三角形的判定和性質(zhì),全等三角形的判定和性質(zhì),兩點(diǎn)之間線段最短,勾股定理等知識(shí),解題關(guān)鍵是學(xué)會(huì)添加常用輔助線,構(gòu)造全等三角形解決問題.
15.(2023·湖北隨州·統(tǒng)考中考真題)1643年,法國(guó)數(shù)學(xué)家費(fèi)馬曾提出一個(gè)著名的幾何問題:給定不在同一條直線上的三個(gè)點(diǎn)A,B,C,求平面上到這三個(gè)點(diǎn)的距離之和最小的點(diǎn)的位置,意大利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家托里拆利給出了分析和證明,該點(diǎn)也被稱為“費(fèi)馬點(diǎn)”或“托里拆利點(diǎn)”,該問題也被稱為“將軍巡營(yíng)”問題.
(1)下面是該問題的一種常見的解決方法,請(qǐng)補(bǔ)充以下推理過程:(其中①處從“直角”和“等邊”中選擇填空,②處從“兩點(diǎn)之間線段最短”和“三角形兩邊之和大于第三邊”中選擇填空,③處填寫角度數(shù),④處填寫該三角形的某個(gè)頂點(diǎn))
當(dāng)?shù)娜齻€(gè)內(nèi)角均小于時(shí),
如圖1,將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
由,可知為 ① 三角形,故,又,故,
由 ② 可知,當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,如圖2,最小值為,此時(shí)的P點(diǎn)為該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”,且有 ③ ;
已知當(dāng)有一個(gè)內(nèi)角大于或等于時(shí),“費(fèi)馬點(diǎn)”為該三角形的某個(gè)頂點(diǎn).如圖3,若,則該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”為 ④ 點(diǎn).
(2)如圖4,在中,三個(gè)內(nèi)角均小于,且,已知點(diǎn)P為的“費(fèi)馬點(diǎn)”,求的值;
(3)如圖5,設(shè)村莊A,B,C的連線構(gòu)成一個(gè)三角形,且已知.現(xiàn)欲建一中轉(zhuǎn)站P沿直線向A,B,C三個(gè)村莊鋪設(shè)電纜,已知由中轉(zhuǎn)站P到村莊A,B,C的鋪設(shè)成本分別為a元/,a元/,元/,選取合適的P的位置,可以使總的鋪設(shè)成本最低為___________元.(結(jié)果用含a的式子表示)
【答案】(1)①等邊;②兩點(diǎn)之間線段最短;③;④A.(2)(3)
【分析】(1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)和兩點(diǎn)之間線段最短進(jìn)行推理分析即可得出結(jié)論;
(2)根據(jù)(1)的方法將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,即可得出可知當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,最小值為,在根據(jù)可證明,由勾股定理求即可,
(3)由總的鋪設(shè)成本,通過將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,得到等腰直角,得到,即可得出當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,即取最小值為,然后根據(jù)已知和旋轉(zhuǎn)性質(zhì)求出即可.
【詳解】(1)解:∵,
∴為等邊三角形;∴,,
又,故,
由兩點(diǎn)之間線段最短可知,當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,
最小值為,此時(shí)的P點(diǎn)為該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”,
∴,,∴,,
又∵,∴,
∴,∴;
∵,∴,,∴,,
∴三個(gè)頂點(diǎn)中,頂點(diǎn)A到另外兩個(gè)頂點(diǎn)的距離和最?。?br>又∵已知當(dāng)有一個(gè)內(nèi)角大于或等于時(shí),“費(fèi)馬點(diǎn)”為該三角形的某個(gè)頂點(diǎn).
∴該三角形的“費(fèi)馬點(diǎn)”為點(diǎn)A,故答案為:①等邊;②兩點(diǎn)之間線段最短;③;④.
(2)將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
由(1)可知當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,最小值為,
∵,∴,
又∵∴,
由旋轉(zhuǎn)性質(zhì)可知:,∴,∴最小值為,
(3)∵總的鋪設(shè)成本
∴當(dāng)最小時(shí),總的鋪設(shè)成本最低,
將繞,點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到,連接,
由旋轉(zhuǎn)性質(zhì)可知:,,,,
∴,∴,
當(dāng)B,P,,A在同一條直線上時(shí),取最小值,即取最小值為,
過點(diǎn)作,垂足為,∵,,∴,
∴,∴,
∴,∴
的最小值為
總的鋪設(shè)成本(元)故答案為:
【點(diǎn)睛】本題考查了費(fèi)馬點(diǎn)求最值問題,涉及到的知識(shí)點(diǎn)有旋轉(zhuǎn)的性質(zhì),等邊三角形的判定與性質(zhì),勾股定理,以及兩點(diǎn)之間線段最短等知識(shí)點(diǎn),讀懂題意,利用旋轉(zhuǎn)作出正確的輔助線是解本題的關(guān)鍵.
16.(2024·廣東·一模)如圖,和均為等腰直角三角形,.現(xiàn)將繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn).
(1)如圖1,若三點(diǎn)共線,,求點(diǎn)B到直線的距離;
(2)如圖2,連接,點(diǎn)F為線段的中點(diǎn),連接,求證:;
(3)如圖3,若點(diǎn)G在線段上,且,在內(nèi)部有一點(diǎn)O,請(qǐng)直接寫出的最小值.
【答案】(1);(2)證明見解析;(3).
【分析】(1)由旋轉(zhuǎn)性質(zhì)易證,從而可得, ,再求的CE邊高即可;(2)通過倍長(zhǎng)中線構(gòu)造,得,由即可證明;(3)利用費(fèi)馬點(diǎn)模型構(gòu)造圖形,過點(diǎn)G作,且,過點(diǎn)G作,且,可得,,將問題由轉(zhuǎn)化為兩點(diǎn)之間距離最短即可解答.
【詳解】解:(1)∵,,
∴,∴,
又∵,,∴(SAS),∴,,
∵,,∴,∵若三點(diǎn)共線,∴,
如圖,過B點(diǎn)作BH⊥CE交CE延長(zhǎng)線于點(diǎn)H,
∴,∴,即:點(diǎn)B到直線的距離為;
(2)延長(zhǎng)CF到N,使FN=CF,連接BN,
∵FD=FB,,∴(SAS)∴,
∵,∴,
又∵,∴,∴,
又∵,,∴(SAS),∴,
又∵,∴,∴,即,
(3)的最小值為;過程如下:如解圖3,過點(diǎn)G作,且,過點(diǎn)G作,且,連接OC、、,
∴,,∴,
∵,∴,∴,即,
∵,∴,
∵,僅當(dāng)C、O、、在同一條直線上等號(hào)成立;
如解圖4,過點(diǎn)作,垂足為H,過點(diǎn)作,垂足為P,
∵,∴,,
∵,∴,∴,
∵,∴,
∴,,
∴,,
∴,∴,
∴的最小值為:,
∴的最小值為.
【點(diǎn)睛】本題是三角形綜合題,涉及了三角形旋轉(zhuǎn)全等和旋轉(zhuǎn)相似的綜合、解三角形等知識(shí)點(diǎn),解(2)關(guān)鍵是倍長(zhǎng)中線構(gòu)造三角形全等證明;解(3)關(guān)鍵是掌握費(fèi)馬點(diǎn)求最值模型,利用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化線段關(guān)系.
這是一份2025年中考數(shù)學(xué)幾何模型歸納訓(xùn)練(全國(guó)通用)專題37最值模型之瓜豆模型(原理)直線解讀與提分精練(原卷版+解析),共44頁。試卷主要包含了5C.D.等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份2025年中考數(shù)學(xué)幾何模型歸納訓(xùn)練(全國(guó)通用)專題36最值模型之逆等線模型解讀與提分精練(原卷版+解析),共56頁。
這是一份2025年中考數(shù)學(xué)幾何模型歸納訓(xùn)練(全國(guó)通用)專題34最值模型之阿氏圓模型解讀與提分精練(原卷版+解析),共51頁。
微信掃碼,快速注冊(cè)
注冊(cè)成功