巧构“辅助圆”,妙解“最值”问题

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  许多同学在圆的学习中都会通过添加垂线段、连半径、连直径等进行解题,但在解决一些较难问题时,上述方法就起不了多少作用。而有时在图形中构造圆能获得意想不到的效果。下面就以几道例题和同学们一起分析如何用“輔助圆”来求解“最值”问题。
  一、折叠问题中的辅助圆
  例1 (2019·江苏宜兴一模)如图1,在Rt△ABC中,∠B=60°,BC=3,D是BC边上的三等分点,BD=2CD,E为AB边上一动点。将△DBE沿DE折叠到△DB′E的位置,连接AB′,则线段AB′的最小值是 。
  【解析】△DBE在折叠的过程中,满足DB=DB′,即点B′始终是在以点D为圆心,DB长为半径的圆上运动(如图2)。点A是圆外一点,由图1可以看到AB′要取到最小值,则点A、B′、D必须共线。在Rt△ABC和Rt△ACD中易求得AD=[27],则AB′的最小值为AD-DB′=[27]-2。
  【总结】折叠图形有“共端点、等线段”的特征,满足圆的定义。利用这一特征构造“辅助圆”,再利用“两点之间,线段最短”的原理便能很快找到对应线段的最值。
  二、直角三角形中的辅助圆
  例2 (2017·江苏江阴一模)如图3,在等腰△ABC中,∠ABC=90°,AB=BC=2,P是△ABC所在平面内一点,且满足PA⊥PB,则PC的取值范围为 。
  【解析】由∠APB为“直角”这个特征,联想到90°角所对的弦是直径,可以构造经过A、B、P三点的⊙M(如图4),半径为1。点P在⊙M上运动,PC的长度也随之不断变化。我们在运动中不难发现PC所在的直线经过圆心M时,可以取到最大或最小值。图4中,PCmin=MC-MP=[5]-1;图5中,PCmax=MC MP=[5] 1。
  【总结】直角三角形中,“定斜边、动直角顶点”的特征,满足90°的圆周角所对的弦是直径。以定斜边为直径构造圆能解决线段的最值问题。
  三、定弦、定角中的辅助圆
  例3 (2020·江苏苏州工业园区一模)如图6,点D是等边△ABC内一点,且∠BDC=120°,则[ADBD]的最小值是 。
  【解析】∠BDC=120°,BC为等边△ABC的一条边,如图7可以构造经过B、D、C三点的⊙O。要求[ADBD]的值,从结构上来看,我们多半采用相似三角形中对应线段的比值来进行转化求解。延长AD与圆相交于点E,连BE(如图8),易知△ABD∽△AEB,故[ADAB]=[BDEB],即[ADBD]=[ABEB]。如图9可知,当BE为直径时,在Rt△ABE中易求得([ADBD])min=([ABEB])min=[33]。
  【总结】“定角、定线段”的结构特征可以与圆中“定角、定弦长”联系起来。
  很多几何问题虽然看上去与圆无关,但是我们如果能结合条件补作“辅助圆”,便可使一些“最值”问题化繁为简,化难为易。
  (作者单位:江苏省苏州中学园区校)
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