“種瓜得瓜,種豆得豆”這句話在幾何問(wèn)題中,尤其是動(dòng)點(diǎn)軌跡問(wèn)題中,被形象地描述為“瓜豆模型”。在這一類動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題中,一個(gè)動(dòng)點(diǎn)(從動(dòng)點(diǎn))隨另一個(gè)動(dòng)點(diǎn)(主動(dòng)點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),它們的軌跡是一致的,即所謂“種瓜得瓜,種豆得豆”。如定直線上的主動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是直線,引起的從動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是直線;定圓上的主動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是圓,引起的從動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓……因此,“瓜豆模型”通常也叫“主從聯(lián)動(dòng)模型”。從幾何條件上看,如果兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)到某一定點(diǎn)的距離比是定值,且它們與定點(diǎn)連線的夾角是定角時(shí),那么這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。
【模型理解】如圖1,△APQ是直角三角形,∠PAQ=90°,且AP=2AQ。當(dāng)點(diǎn)P在⊙O上運(yùn)動(dòng)時(shí),點(diǎn)Q的運(yùn)動(dòng)軌跡肯定也是一個(gè)圓。因?yàn)樵谶@個(gè)問(wèn)題中,有兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)P和Q(兩動(dòng)),一個(gè)定點(diǎn)A(一定)。動(dòng)點(diǎn)P和Q到定點(diǎn)A的距離比是定值(二定),夾角∠PAQ=90°是定角(三定),所以這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。在這個(gè)模型中,關(guān)鍵要找到“兩動(dòng)三定”。
【模型初試】如圖2,點(diǎn)P(3,4),圓P半徑為2,A(2.8,0),B(5.6,0),點(diǎn)M是圓P上的動(dòng)點(diǎn),點(diǎn)C是MB的中點(diǎn),則AC的最小值是 。
【解析】在這個(gè)問(wèn)題中,有兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)M和C(兩動(dòng)),一個(gè)定點(diǎn)B(一定)。動(dòng)點(diǎn)M和C到定點(diǎn)B的距離比是定值(二定),且?jiàn)A角∠MBC=0°是定角(三定),那么這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。點(diǎn)M在圓P上運(yùn)動(dòng)是主動(dòng)點(diǎn),運(yùn)動(dòng)軌跡是圓。點(diǎn)C隨著點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),點(diǎn)C是從動(dòng)點(diǎn),因此它的運(yùn)動(dòng)軌跡也是圓。
如圖3,點(diǎn)M繞著點(diǎn)P運(yùn)動(dòng),連接定點(diǎn)B和P,以及定點(diǎn)P和主動(dòng)點(diǎn)M,形成△BMP。點(diǎn)C是BM的中點(diǎn),取BP的中點(diǎn)Q,連接QC,則易知△BCQ∽△BMP,且QC=1。因此,從動(dòng)點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡是以Q為圓心,QC為半徑的圓。
利用圓的“穿心線”求最值。如圖4,當(dāng)A、C、Q三點(diǎn)共線且點(diǎn)C在線段QA上時(shí),AC取到最小值。利用兩點(diǎn)間距離公式求得QA=2.5,再減去QC的長(zhǎng)即可。
【模型實(shí)戰(zhàn)1】(2023·山東泰安)如圖5,在平面直角坐標(biāo)系中,Rt△AOB的一條直角邊OB在x軸上,點(diǎn)A的坐標(biāo)為(-6,4);Rt△COD中,∠COD=90°,OD=[43],∠D=30°,連接BC,點(diǎn)M是BC中點(diǎn),連接AM。將Rt△COD以點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,線段AM的最小值是( )。
A.3 B.[62]-4
C.[213]-2 D.2
【解析】在這個(gè)問(wèn)題中,有兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)M和C(兩動(dòng)),一個(gè)定點(diǎn)B(一定)。動(dòng)點(diǎn)M和C到定點(diǎn)B的距離比是定值(二定),且?jiàn)A角∠MBC=0°是定角(三定),那么這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。如圖6,點(diǎn)C是主動(dòng)點(diǎn),運(yùn)動(dòng)軌跡是隱圓O。點(diǎn)M隨著點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),是從動(dòng)點(diǎn),因此它的運(yùn)動(dòng)軌跡也是圓,這個(gè)圓的圓心Q是OB的中點(diǎn),半徑QM=[12]OC=2。再由“穿心線”可知,當(dāng)A、M、Q三點(diǎn)共線且點(diǎn)M在線段AQ上時(shí),線段取到最小值。此時(shí)QA=5,QM=2,AM=QA-QM=3。故選A。
【模型實(shí)戰(zhàn)2】(2023·四川宜賓)如圖7,M是正方形ABCD邊CD的中點(diǎn),P是正方形內(nèi)一點(diǎn),連接BP,線段BP以點(diǎn)B為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到線段BQ,連接MQ。若AB=4,MP=1,則MQ的最小值為 。
【解析】在這個(gè)問(wèn)題中,有兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)P和Q(兩動(dòng)),一個(gè)定點(diǎn)B(一定)。動(dòng)點(diǎn)P和Q到定點(diǎn)B的距離比是1為定值(二定),且?jiàn)A角∠PBQ=90°是定角(三定),那么這兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。如圖8,點(diǎn)P是主動(dòng)點(diǎn),運(yùn)動(dòng)軌跡是隱圓B。點(diǎn)Q隨著點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),是從動(dòng)點(diǎn),因此它的運(yùn)動(dòng)軌跡也是圓,這個(gè)圓的圓心E是點(diǎn)M繞點(diǎn)B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后的對(duì)應(yīng)點(diǎn),半徑EQ=MP=1。再由“穿心線”可知,當(dāng)M、Q、E三點(diǎn)共線且點(diǎn)Q在線段ME上時(shí),線段MQ取到最小值。易得ME=[2]BM=[210],則MQ的最小值為[210]-1。
【模型歸納】瓜豆模型與隱圓是幾何問(wèn)題中兩個(gè)重要的概念,它們?cè)诮鉀Q一些復(fù)雜的幾何問(wèn)題時(shí)可以相互配合使用,尤其在求解最值問(wèn)題上,可以形成合力,幫助我們找到解題策略。我們?cè)诼?lián)合使用這兩個(gè)概念時(shí)應(yīng)注意:
1.分辨特征,明確結(jié)構(gòu)。識(shí)別題目中的動(dòng)點(diǎn)與定點(diǎn),并分析是否滿足“兩動(dòng)三定”的關(guān)系。
2.有圓用圓,無(wú)圓畫(huà)圓。如果題目中的條件暗示了動(dòng)點(diǎn)可能在圓上運(yùn)動(dòng),即使題目中沒(méi)有明確給出圓,也要假設(shè)可能存在一個(gè)隱圓。
3.畫(huà)出軌跡,分析數(shù)據(jù)。根據(jù)瓜豆原理,明確兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的軌跡相同。利用題中條件來(lái)確定隱圓的圓心和半徑等數(shù)據(jù)。
4.“一箭穿心”,確定最值。在圓中常利用“穿心線”尋找最長(zhǎng)或最短的弦、弧、線段等,解決最值問(wèn)題。
瓜豆模型和隱圓的結(jié)合,給我們?cè)诮鉀Q幾何動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題時(shí)提供了一種直觀且有用的方法,不僅揭示了動(dòng)點(diǎn)的潛在軌跡,還使問(wèn)題更易于理解和解決。在提高解題速度的同時(shí),也增強(qiáng)了對(duì)幾何圖形的空間想象力和理解能力。它為解決幾何“雙動(dòng)點(diǎn)”問(wèn)題提供了一種清晰的通用性策略,是非常有用的工具。
(作者單位:江蘇省南京方山外國(guó)語(yǔ)學(xué)校)