搞定平面几何:辅助线是怎么想出来的
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第一题

QUESTION 1

等边三角形ABC中,AD垂直于BCMN分别是ADAC上的两点,且AM=CN,请问,当BM+BN最小时,∠MBN是多少度?

首先,这是一道与动点有关的题目。很多人碰到动点问题就犯怵,这可以理解。相较于确定和不变的东西,人们总是对不确定的、变化的东西心怀恐惧。而题目所要考察的往往是在变化中寻找和发现相对不变性的能力,这对许多人而言是一项比较高的要求。

对于这类动点问题,一般可以先考虑几个特殊情况,从而对问题有个初步的把握,以消除内心的部分恐慌。

在本题中,当AM=CN=0时,MA重合,NC重合,BM+BN=BA+BC,此时BM+BN取得符合要求的所有情况里的最大值。

而如果MD重合,则此时BM取得最小值,但BN并不取得最小值。反之,如果NAC的中点,此时BN取得最小值,但BM并不是最小值。

我的第一个思考是利用对称性,比如把BM转换成下面的CM,但这样CMBN离得更远了。显然,这样的辅助线没什么效果。

这里就涉及作辅助线的一个基本原则:辅助线应该把题目中分散的条件最大程度地联系起来,最好是聚合起来,而不是让它们更分散。

怎么利用AM=CN这个条件?目前,这2条边在图中没什么直接关联,能不能让它们跑到一起,变成一个等腰三角形之类的?

基于这一想法,我想到了下面的旋转,即让△BCNB点逆时针旋转60°至△BAP的位置。此时可得:AP=CN=AM,∠PAB=∠NCB=60°,因此∠PAM=90°,从而△PAM为等腰直角三角形;同时,△BPN为等边三角形,BN=BP=PN,因此BM+BN=BM+BP

这种作辅助线的方法确实把许多条件聚合到了一起。但问题在于P点依旧为动点,仍然不能解决BM+BN什么时候最小的问题。

2次正面尝试,都遭遇了挫折。这时,我不得不停下来,尝试从结论来思考一下这个问题。

为了让BN+BM最小,一般而言,我们需要下面这样的模式。也就是找到一个P点,使得PN=BM,这样BN+BM=BN+NP,从而,当BNP为一条直线时BN+BM取得最小值。当然,这有一个前提,也就是P点必须为定点!

为此,我们不妨先把BM搬到NP的位置,来逆向思考一下到底要作什么辅助线。

此时,如果我们连接PC,我们发现NP=MBNC=MA,也就是△NCP和△MAB已经有两条边对应相等了。这一观察发现显然在引导我构造全等三角形。如果还有PC=BA,那么△PCN≌△BAM,此时应该有∠PCN=∠BAM=30°。

据此,我们就很容易得到下面的辅助线作法,即:作△PCN≌△BAM。由于∠PCN=∠BAM=30°,因此PCBC,并且PC=BA为定长,这表明P点一定为定点。

从而,BM+BN=PN+BN。显然,当BNP三点共线时BM+BN取最小值。此时,△BCP为等腰直角三角形,∠NPC=∠PBC=45°。

由于△BAM≌△PCN,因此∠ABM=∠CPN=45°。

从而,∠MBN=45°+45°-60°=30°。

当然,上面的做法是把BM搬家,我们是否可以进一步思考一下:能不能把BN搬家呢?其实也行,我画了个示意图,大家可以自行体会。这种思考方式,蕴含着对称的思想。

所以你看,如果我直接把辅助线和答案写出来,那就少了点儿意思。你可能会觉得原来这么简单,也可能会惊呼:哇,昍爸你的灵感真好!但其实不然,我也是经过了挫折之后调整方向,才得到了正确的解法。而这个过程,涉及从条件出发和从结论出发两方面的推进。解题其实很多时候大都是这样,正着解题遇挫不妨反着再试试,两方面同时推进,最后胜利会师!