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“費(fèi)馬點(diǎn)”與中考數(shù)學(xué)試題
Fermat'sPointandMiddleSchoolMathTestQuestionsFermat,aFrenchamateurmathematician,wasknownasthe"KingofAmateurMathematics"andwasoneoftheinventorsofanalyticgeometry.Fermat'sPointisthepointwiththesmallestsumofdistancestothethreeverticesofatriangle.Fermat'sconclusionisthatforatrianglewithanglesnotexceeding120degrees,Fermat'sPointisthepointwheretheanglesbetweeneachsideareall120degrees.Foratrianglewithoneangleexceeding120degrees,Fermat'sPointisthevertexofthatangle.Nowlet'sbrieflyexplainhowtofindpointPsothatthesumofitsdistancestothethreeverticesoftriangleABCisthesmallest,whichistheso-calledFermatproblem.AsshowninFigure1,rotatetriangleAPCcounterclockwisearoundpointAby6degreestoobtaintriangleAP'C',andconnectPP'.Then,triangleAPP'isanequilateraltrianglewithAP=PP',andP'C'=PC.Therefore,PA+PB+PC=PP'+PB+P'C'.PointC'canbeseenasthefixedpointobtainedbyrotatingsegmentACcounterclockwisearoundpointAby6degrees,andBC'isafixedlength.Therefore,whenpointsB,P,P',andC'arecollinear,PA+PB+PCisthesmallest.Atthistime,∠BPA=180°-∠APP'=180°-60°=120°,∠APC=∠AP'C'=180°-∠AP'P=180°-60°=120°,and∠BPC=360°-∠BPA-∠APC=360°-120°-120°=120°.Therefore,wheneachinternalangleoftriangleABCislessthan120degrees,thepointPwearelookingforhasanglesof120degreesoneachsideofthetriangle.Wecandraw120-degreearcsonsidesABandBC,andtheintersectionofthetwoarcsinsidethetriangleispointP.Whenoneinternalangleisgreaterthanorequalto120degrees,thepointPwearelookingforisthevertexoftheobtuseangle.Fermat'sproblemtellsusthatthereissuchapointwiththesmallestsumofdistancestothreefixedpoints,andthesolutionistouserotationaltransformation.Thisarticleprovidesexamplesofhow"Fermat'sPoint"hasappearedinrecentmiddleschoolmathtestpapersforstudentstolearnandreference.Forexample1(2008GuangdongMiddleSchoolEntranceExam),givenasquareABCDandamovingpointEinsidethesquare,theminimumsumofthedistancesfromEtopointsA,B,andCis2+6.Whatisthelengthofthesideofthesquare?Analysis:ConnectACandwefindthatthesumofthedistancesfrompointEtopointsA,B,andCisactuallythesumofthedistancesfromEtothethreeverticesoftriangleABC.ThisisactuallyavariationofFermat'sproblem,justwithadifferentbackground.AsshowninFigure2,connectACandrotatetriangleAECclockwisearoundpointCby60degreestoobtaintriangleGFC.ConnectEF,BG,andAG,anditcanbeseenthattrianglesEFCandAGCarebothequilateraltriangles,soEF=CE.Also,FG=AE.Therefore,AE+BE+CE=BE+EF+FG(Figure4).PointBandpointGarefixedpoints(GisobtainedbyrotatingpointAclockwisearoundpointCby60degrees).Therefore,segmentBGistheminimumsumofdistancesfrompointEtopointsA,B,andC,andatthistime,pointsEandFarebothonBG(Figure3).Assumingthelengthofthesideofthesquareisa,thenBO=CO=26.GC=2a,GO=a,BG=BO+GO=3a.因?yàn)辄c(diǎn)E到A、B、C三點(diǎn)的距離之和的最小值為2+6=8,所以a+a=8/3,解得a=4/3.在平面直角坐標(biāo)系xOy中,△ABC三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A(-6,0),B(6,0),C(0,4/3).延長(zhǎng)AC到點(diǎn)D,使CD=DE∥AB交BC的延長(zhǎng)線于點(diǎn)E.(1)求D點(diǎn)的坐標(biāo):由于CD=DE,所以D的坐標(biāo)為(0,16/3).(2)作C點(diǎn)關(guān)于直線DE的對(duì)稱點(diǎn)F,分別連接DF、EF,若過(guò)B點(diǎn)的直線y=kx+b將四邊形CDFE分成周長(zhǎng)相等的兩個(gè)四邊形,確定此直線的解析式:直線BM的解析式為y=-3x+63.(3)設(shè)G為y軸上一點(diǎn),點(diǎn)P從直線y=kx+b與y軸的交點(diǎn)出發(fā),先沿y軸到達(dá)G點(diǎn),再沿GA到達(dá)A點(diǎn),若P點(diǎn)在y軸上運(yùn)動(dòng)的速度是它在直線GA上運(yùn)動(dòng)速度的2倍,試確定G點(diǎn)的位置,使P點(diǎn)按照上述要求到達(dá)A點(diǎn)所用的時(shí)間最短.解法:使P點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)所用的時(shí)間最短,就是使MQ+AQ/2最小,即使G點(diǎn)到A、B、M三點(diǎn)的距離和最小.把△MQB繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°,得到△M'Q'B,連接QQ'、MM',可知△QQ'B、△MM'B都是等邊三角形,則QQ'=BQ.又M'Q'=MQ,所以MQ+AQ/2=BQ+M'Q'+AQ/2=BM'+OM+AQ/2=63-3b/2+4/3+√(b^2+63^2)/2.因此,要使MQ+AQ/2最小,就要使√(b^2+63^2)最小,即b=0.所以G的坐標(biāo)為(0,0).可得角BMO=3度,因此QK=MQ。為了使MQ+AQ最小,只需使AQ+QK最小。根據(jù)“垂線段最短”原理,當(dāng)點(diǎn)A、Q、K在一條直線上時(shí),AQ+QK最小,且此時(shí)的QK垂直于BM,因此點(diǎn)Q即為所求的點(diǎn)G。過(guò)點(diǎn)A作AH⊥BM于點(diǎn)H,則AH與y軸的交點(diǎn)為所求的點(diǎn)G。由OB=6,OM=63,可得角OBM=60度,因此角BAH=30度。在直角三角形OAG中,OG=AO·tanBAH=23,因此點(diǎn)G的坐標(biāo)為(,23)(點(diǎn)G為線段OC的中點(diǎn))。如果點(diǎn)P為△ABC所在平面上一點(diǎn),且∠APB=∠BPC=∠CPA=120度,則點(diǎn)P叫做△ABC的費(fèi)馬點(diǎn)。在銳角△ABC的費(fèi)馬點(diǎn)P中,如果∠ABC=60度,PA=3,PC=4,則PB的值為23。如圖8,在銳角△ABC的外側(cè)作等邊△ACB′,并連接BB′,則BB′過(guò)△ABC的費(fèi)馬點(diǎn)P,且BB′=PA+PB+PC。將△ACP繞點(diǎn)C順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度到△B′CE,連接PE,則△EPC為正三角形。因?yàn)椤螧′EC=∠APC=120度,∠PEC=60度,所以∠B′EC+∠PEC=180度,即P、E、B′三點(diǎn)在同一直線上。因?yàn)椤螧PC=120度,∠CPE=60度,所以∠BPC+∠CPE=180度,即B、P、E三點(diǎn)在同一直線上。因此,B、P、E、B′四點(diǎn)在同一直線上,即BB′過(guò)△ABC
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