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《对一个经典问题的多彩解答》


有这么一道题,她别处心裁,独具匠心,使人耳目一新;有这么一道题,她巧夺天工,大道至简,让人眼前一亮;有这么一道题,她方法多样,变幻莫测,逼人拍手叫绝.本文将对这道题展开探索之旅,以求做一题,会一类,通一片,学数法.

一、例题呈现

如图1,半圆O的直径AB=5,AC、AD为弦,且AC=3,AD平分∠BAC,求AD的长.

二、解法多探

从确定性的角度分析,该图形唯一确定,确定的图形必可求.笔者将从多个角度分析其结构,提供解决此题的多种通法,以求真正揭开她的神秘面纱.

2.1 勾股法

计算边长是最基本的几何问题之一,勾股定理(法)是最重要的解题方法之一.下面笔者提供几种思路,都是通过各种方式构造直角三角形,借助勾股法顺利求解问题:

小结1:以上四种思路都是通过或作垂线、或连接线段、或延长线段等方式,构造直角三角形,借助勾股定理,计算所需边长,这是求边长问题最基本的方法之一,简称为勾股法;

思路3中“见角平分线,作双垂”,如图1-5所示;

思路4中“三线合一逆定理”(“角平分线+高线→等腰三角形”),如图1-6所示,又是处理角平分线问题的常见策略;

求边长问题,除了常见的勾股法外,还有相似法以及面积法,不妨简称为“勾股相似面积法”,这是求边长问题的“三大法宝”,譬如思路3中的射影定理法就属于相似法中的一种,相比于勾股定理法而言,异常简单.

2.2 相似法

作为初三学子,审题或解题时,要有相似情怀,除了七、八年级常见的勾股法外,要习惯于识别或构造各种基本相似形,利用相似三角形的相关知识来解决问题,下面笔者再提供几种相似法:

小结2:以上几种思路,都是用相似的眼光看问题,识别或构造一些基本相似形,借助相似三角形的性质等解决问题,相似法可以与勾股法相互交融,彼此结合,穿插使用;

2.3 三角法

相似是三角的基石,三角是相似的浓缩.一个(锐)角是确定的,其所在直角三角形的三边之比也是确定的,即“定角定比”.解题时,眼中有角,心中有比,会得到更多直指本质的解法.此题中,∠BAC确定,∠BAD=∠BAC也是确定的,必可解,只需求出∠BAD的“三角比”(其所在直角三角形的三边之比).下面提供几种导角方法,仅供参考:

小结3:基于确定性思想下的导角分析,此题的本质就是知倍角求半角的过程,以上各种思路都是想方设法将目标半角∠DAB置于或转移到构造的直角三角形里,求其三边之比,借助比例法,顺利解决问题;

这里尤以思路15的构造最为简洁通用,只需将目标倍角所在直角三角形的直角边轻松一延,等腰构出,半角自现,不妨称为倍半角模型,其核心结构如图3-8所示,在具体使用时,既可以“就地解决”,也可以“另行处理”;

以上各种所谓“三角法”带给我们的解题启示有:眼中有定角,心中有定比;导角能力强,转化意识快;巧施三角比,口算似神仙.

2.4对称法

角是一个轴对称图形,角平分线所在的直线是其对称轴,遇到角平分线的相关问题,对称法是一个重要而常见的用法.从这个角度分析,前面的思路3以及思路4中涉及的“见角平分线,作双垂”、“三线合一逆定理”(“角平分线+高线→等腰三角形”)等常见的处理方法都属于对称法.此外,本题还可以采取如下新解:

小结4:角平分线的常见解题策略:①作双垂,得相等;②角平分线+垂线→等腰三角形;③角平分线+平行线→等腰三角形;④对称法.其实,①与②的本质属于④.

2.5旋转法

其实,旋转法未必一定要在“共顶点、等线段”结构中才能使用,更一般地,当共顶点的两条线段夹角确定且长度之比确定时,都可以尝试采用旋转(相似)法来解决问题.

譬如本题,如图5-2(隐去半圆O),连接BC、BD、CD,则Rt△ABC形状确定,且DB=DC,要求的是DA,可以绕点C或点B或点A作旋转变换,将DA、DB、DC等条件转移到同一个三角形中,从而顺利求解.

此图不妨称为“(不等)三爪图”,即见“(不等)三爪图”,造旋转,又可产生以下新解:

小结5:共顶点,等线段,造旋转,得全等,这是旋转(全等)法的第一层次,如思路17;

更一般地,两线段,共顶点,固夹角,定比值,造旋转,构相似,如思路18至思路23,可归纳为“旋转有六法,相似必成对”,这才是旋转(相似)法的更高层次.

2.6其他方法

峰回路转,思路23又给笔者一些提示,此题还有以下有趣解法:

思路24又回溯到了前面的三角法,不自觉间构造了“倍半角模型”,不禁让人直呼,数学好玩,解题过瘾,进一步说明了“倍半角模型”的普遍存在性,需引起高度重视.

此外,还可以如图6-2所示构图,同理可解.数学探究的乐趣无止境,在思路24的基础上,笔者突发奇想,可不可以利用学生熟知的“一线三直角”结构来解决问题,果然不出所料,请看以下解法:

最后,再介绍一种“托勒密”趣法,以殇读者:

思路26:先介绍一个引理:

(托勒密定理)如图6-4,在圆的内接四边形ABCD中,始终有AC×BD=AB×CD+BC×AD,即圆的内接凸四边形的两组对边乘积之和等于两条对角线的乘积.

利用托勒密定理,由题立得:4AD=3BD+5CD,又BD=CD,则4AD=8BD,即AD=2BD,下略.

托勒密法简单的让人发指,数学如此有趣,引无数学子竞折腰,同学们,爱上数学吧!

此外,此题若是采取高中知识,利用三角函数来解决,又会有更直至本质的解法,不再详述.

通过本文的探究,此题的美一览无余,笔者忍不住忆起宋代文学家苏轼的诗作《题西林壁》:“横看成岭侧成峰,远近高低各不同;不识庐山真面目,只缘身在此山中!”笔者也忍不住诗兴大发,来首打油诗,结束本文:“勾股相似面积法,定角定比三角法;对称旋转托勒密,各法融会功自成!”

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