【数学故事】从前,有一个小伙子在外地当学徒,当他获悉在家的老父亲病危消息后,便立即启程回家。

由于思乡心切,他只考虑了路径最短,选择了全是沙砾地带的直线路径A→C(如图所示),而忽视了先走平路再走沙地的折线(A→D→C)。(假定平路上的速度大于沙地上的速度)。

当他气喘吁吁地赶到家时,老人刚刚咽了气,小伙子失声痛哭。邻居劝慰小伙子,老人弥留之际不断念叨着“胡不归?胡不归?…何以归”。

倘若可以,他应该选择怎样的路线,回家时间更短?

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(1)

其数学解释模型如下:

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(2)

这里假定平路上的速度大于沙地上的速度

这个模型的特征:从定点A出发,沿着到一条定直线(平路)前进到D(点D为动点),然后从点D走到目的地(砂路)C(定点)。涉及到三个核心要素:两个定点和一条定直线。

下面从一道题分析:

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(3)

将题目中的表达写成数学表达式:

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(4)

1/3*AD DC就是考试中经常出现的形式。

对比将军饮马的形式PA PB,线段前的均为1;

胡不归基本模型可以表示为PA k*PB,0<k<1

如果不满足0<k<1这个条件,需要对原条件进行处理:提取相应的系数,使得某条线段前的系数k满足0<k<1。

为什么必须0<k<1?

因为胡不归模型是需要通过特定变换(三角函数变换),将问题转换为PA PB形式,再利用点到直线的垂线段最短这一基本原理求解。

这里所谓的特定变换就是将原来的定直线(“平路”)绕定点(理解为出发点)旋转特定的角度(α),得到一条新的定直线,从而目的地点到这条新直线的垂线即为所求。

注意这个特定的角度α,其正弦值sinα=k,因此0<k<1(不满足这条件就要提取系数)。

旋转点就是出发点,旋转方向理解为远离目的地方向,得到一条新直线(这条直线的位置是确定的)

回头看例题:

出发点为点A,AD前的系数k=1/3,以点A为中心,向左侧旋转α,sina=1/3

显然sin∠BAD=1/3,通过变换后得到直线为AB, 过点C作AB的垂线即为所求。

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(5)

点到线段最短距离为垂线段

根据面积公式,很容易计算出CH=(4/3)√(2)(实际上是个时间单位)

CH与AO的交点就是所求点D'

如何求AD呢?

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(6)

此图的点D实际是上图中的D‘

下面这道题:

胡不归数学模型总结(胡不归模型的本质及应用)(7)

分析要点:

第一问:注意到动点B在直线上运动,BM前面的系数为1/2,sin30°=1/2(典型的胡不归模型)

只需要绕点B,将BD顺时针(远离点A)方向旋转30°(根据图中菱形的性质,其实就是线段BC)

过点A向BC作垂线段即为AM 1/2BM的最小值

第二问:2AM BM=2(AM 1/2BM)提取系数,使得BM前的线段系数小于1,再参照第一问。

第三问:AM BM MC=2AM BM(菱形的对角线是菱形的一条对称轴),参照第二问。

(本问也可用费马点模型(旋转)来解决)

类似这样的结构的线段和最值还有一类问题叫阿氏圆模型。

两者的区别:胡不归模型的动点在直线上;阿氏圆模型的动点在圆上。

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