费马点:已知一个三角形,求作一点到三个顶点的距离之和最小,这个点就是费马点。
在日常练习中,一般我们研究三角形的内角都小于120度的情况。当三角形的一个内角大于等于120度的时候,该点不在三角形内部。
解决费马点问题的常见方法是旋转,见下图通过旋转将三条边拼接成首位相接的折线段,由两点之间线段最短可以得到三条线段的最小值。
三角形APC以点C为中心顺时针旋转60度,可以得到AP= AP'、三角形PP' C是等边三角形,所以PA PB PC=PA' PB PP'A' B。
基本费马点旋转图
利用这种方法基本可以处理只含有一个系数不为一的情况,例如在三角形ABC内部求一点使得PA PB PC的值最小。这个时候就不能旋转60度了,而是旋转120度,见下图。
此时PA PB PC=P'A' PB PP'A'B,在之前的一篇文章里面用余弦定理证明过系数关于旋转角度的关系。笔者研究过许多中考的费马点单系数问题,主要会涉及到根号2,根号3等可以通过特殊三角形构造出来的比例线段;具体可以去看以前的文章。
在此基础上,笔者主要补充多个系数的情况。
例题:在三角形ABC内部有一点P,求根号3PA PB 2PC的最小值。
加权费马点旋转伸缩变换
如图,将三角形PCP'以点C为中心顺时针旋转90度,同时将边长伸长为原来的根号3倍,根据勾股定理就可以求出PP'=2PC,所以就得到根号3PA PB 2PC=P'A' PP' PBA'B。这里面有两个技巧,以系数最大的一边端点为旋转中心,大小第二的系数就是伸缩变化的倍数,旋转方向是系数最小线段的端点的反方向;旋转角度一般是90度,就初中知识来说大多只能是30度、60度等特殊角度,否则需要余弦定理加持,许多中考的具体题目的系数关系恰好是勾股数,因此旋转90度是普遍的做法。
伸缩变换在初中不属于必须掌握的变换,但是在处理加权费马点问题的时候有奇效;当然处理此类问题不止这一种方法,笔者下次将带来三角形三边和加权费马点的关系。
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