教学思考:几何证明分析方法(2)

承接上一篇文章,继续死磕一道题,从中探究几何证明题的分析思路及方法

如下图,在ABC中,∠B= 2∠CAD平分∠BAC,求证:AB+BD = AC

(1)截长法:如下图所示,在线段上截取AE =AB,连接DE,易证ABDAED,此时有EC=AC-AE,BD=DE,若能证明DE=CE,则可证明原结论。

截长法,为什么截取AE=AB,不截取BD呢?对大部分同学来说,或许这不会是一个问题,但若真有同学问呢?其实,截取哪一段,不能空谈,必须根据已有条件分析,在此题中,AD平分∠BAC,这就是一个最大的暗示或事实,对称性,是做辅助线的一种常见方法。如果真的联想不到怎么办?那就一个一个试,错误的那个肯定证不出来。

还有一点,截取AE=AB的同时,也构造了一个证明BD=EC的中间量DE,也就是为什么要连接DE,证明ABDAED的原因。对于初学者,这会是一个难点所在,班里的同学在做这道题时,能想到截长,但没有连接DE,然后被困在如何证明BD=EC上。所以,在面对角平分线以及线段中垂线时,能结合对称性联想得到更多的结论,会非常有必要

如何证明DE=EC,在同一个三角形中,最自然的是等角对等边。如何证等角呢?三角形外角。不得不说,三角形外角定理真的太关键又太隐晦了,学生经常忽视。

(2)补短法1: 如下图所示,延长AB至E,使BD=BE,则AB+BD=AB+BE=AE,此时若能证明AC=AE,则可证明原结论。

欲证线段相等AE=AC,虽然相连,但不在一个三角形中,选择全等三角形来证明(不知道会不会有人连接EC,然后选择等角对等边……脑洞再大一些,会不会真有题要这样做?目前没遇到过)。

存在现成的全等三角形AED与ACD(如何确认?对老师而言非常自然的东西,对学生不一定是。至少眼睛看着像,做几何题,有时候还是需要一些直观能力的)。

目前已知的条件是公共边AD,一组角∠EAD=∠CAD,此时若要增加条件,有两个思路:(1)SAS,需要增加AE=AC,这是待证结论,不可能是判定条件,直接pass;(2)AAS,两个备选,对照已知条件∠ABD=2∠C,联想到通过三角形外角证明∠E=∠C。至此原结论得证。

(3)补短法2:补短法1中,是“和”的思想,将问题转化为求证AE=AC,如果采取“减”的思路,则如下图所示,延长AB至E,使AE=AC,则AE-AB=AC-AB=BE,,此时若能证明BE=BD,则可证明原结论。

同样的辅助线,不同的做法,将问题转化为不同的方向,此方法下的新问题是证明BE=BD,又是证明线段相等,还是在一个三角形中,最常见的思路是等角对等边,问题进一步转化为求证∠E=∠BDE。如何证?这里还是需要用三角形外角定理。考虑到∠E应该等于1/2∠ABC,也就是说,需要证明∠E=∠C。证明角相等的最常用方法还是全等,所以需要证AED≌ACD。

对比补短法1与2,“和”与“减”互逆,换来的证明过程也是反过来的。熟练后,问题应该不大。

(4)补短法3:如下图所示,延长DB至E,使AB=EB,(顺手)连接AE,此时就变成了证明DE=AC。

现在要证的两条线段AC、ED不在同一个三角形中,要么构造三角形,要么找中间量。看到了吧,这就是不按照对称性做辅助线的后果。实际做题中,当然要选择便捷的做法,但此时是为了锻炼思维,所以还是有很意义的。Emmmm,最大的意义就是,做辅助线是有讲究的,不要瞎做。

尝试一下构造全等三角形吧,咋看咋没思路,放弃。但是就真没办法证明吗?其实是有的,请看下图。

图中的∠EAD=∠EDA=∠1+∠3,原来AE=ED,AED是等腰三角形!而∠E=∠C,即AC=AE,于是乎,通过AE这个中间量,将两个线段连到了一起。当我想到这的时候,着实惊奇了一下,几何太神奇了!那我是如何想到的呢?

首先,我对三角形外角定理比较敏感,画出图以后,马上就可以得到∠E=∠EAB=∠1的推论,继而意识到AE=AC(等角对等边),这才想到AE是一个中间量,最终聚焦于∠EAD和∠EDA上。

做完以后,回过头再审视时,发现这其实就是二倍角的一种常见辅助线(还有一种是在三角形内部构造一个角等于∠ABD),得到的结果就是一个对称的等腰三角形(AEC)。这种辅助线方式在解决二倍角问题时,还是很常见的。

回忆上一道题,也有一种方法不是依照对称性做辅助线,得到结果同样比较曲折。再一次感受做辅助线的技巧性。

上一种方法是“和”的思路,那“减”的思路行不行呢?尝试一下。

(5)补短法4:如下图所示,延长DB至E,使ED=AC,求证AB=EB。

思考之后会发现,很多线索都断了,结果无法证明。与补短法1与2的“和”“减”相比,为什么它们就可以都证明,而且复杂程度差不多,但到了补短法3与4这里,就变了呢?变成了一种方法巨复杂,另一种看似近在眼前,但却隔了一层国产防弹玻璃。

再回忆上一道题,也遇到了同样的问题,依照对称性做的辅助线,无论是“和”还是“减”,证明过程都很方便。或许,这就是对称性的巨大威力吧,以后实在没思路了,照着对称性补补画画,说不定会出现奇效呢。

写到这里,可以收尾了。

两道并不算多么难的题目,被自己“搞”成了这个样子,但我认为是有意义的。几何证明题灵活多变,解答思路、辅助线做法有时带点玄乎的感觉,但凡经历过的人都懂。很多时候,看似在讲思路,其实是把题目进行了分类,然后每一类有其稍微固定的套路,美其名曰分析。比如看见中线延长(倍长中线),再比如遇到双倍角该怎么怎么做,还有这两道题的本意——截长补短。

我个人并不满意这样的结果,总觉得还不够,如果都是如此,那对推导能力的锻炼将大打折扣,毕竟未知的领域不会给你分类,更不会给你每一类的套路。如果没有了这个前提,所谓的分析方法,就是个无根之木。

在分析这两道题时,我其实是在有意识地引入新问题:如何证明两条线段相等?先总结可能的方法有哪些,然后根据已有条件去分析、选择,接着将问题一步一步转化。问题转化的方向不都是逆向的,还有正向,甚至两头凑。此外,在思考过程中,不同的辅助线会带来不同的问题转化,继而会产生不一样的后果,或较难的证明过程,或死活同,那么如何针对具体的条件有效地添加辅助线也就被纳入思考之中。

如果再将截长补短法一般化,那就不是只证明两个线段相等的问题,而是多条线段之间的和差关系。这一类问题还有一个镜像问题——如何证明两个角度相等。

我是不赞成把所有的题型分类,然后思考每一类的特点吗?不,我不光赞成,还特别推崇这种思考方式。我所思考的是,这个过程能不能由自己(指学生,但也不排除自己)完成(当然是力所能及的前提下了)。为了自己能够今后能与学生清楚的交流,以证明两条线段相等为例,重新梳理一边。

(1)遇到了证明线段相等的问题;

(2)思考自己都曾遇到过哪些证明线段相等的方法;

(3)看看这道题的已有条件,分析那些不同的方法,选择,继而将问题进行转化;

(4)继续分析转化后的问题,理论上可以从证明线段相等转换成证明其他线段相等,或者证明其他角相等,比如等角对等边中的等角,比如凑全等的其他条件。这有点套娃,但题目绝对有所克制。

(5)思考过程中有没有必要添加辅助线,如何有效地添加辅助线;

(6)最好能够有意识地分析,接触或者思考的多了,就容易发现一些题目存在相似的思考方式,也就是什么样的题型,选择什么样的方法,添加什么样的辅助线。这总比老师直接告诉强多了吧,当然难度也会增大不少;

(7)对学生的难度大,最后的结果不一定好,但这绝不是不思考的理由,只要思考就会有所收获;

(8)对老师的难度大,体现在如何合理的引导学生朝这个方向思考,如何给学生搭建适当的台阶。

以上,自己一些不成熟的想法……

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