等边三角形 ABC 中, AD 垂直于 BC , M 、 N 分别是 AD 和 AC 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, M 与 A 重合, N 与 C 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 M 与 D 重合,则此时 BM 取得最小值,但 BN 并不取得最小值。反之,如果 N 为 AC 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 CM 和 BN 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△ BCN 绕 B 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 B 、 N 、 P 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 = MB , NC = 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 PC ⊥ BC ,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 B 、 N 、 P 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!