师:同学们好,我们开始上课。先来回忆一下上节课内容,上节课遇到这样一个实际问题:当AB在直线l同侧时,要在l上找一点C,使得AC + BC的和最小。大家还记得怎么解决这个问题吗?

  生:做出点B关于l的对称点B',将同侧两点的线段和最小问题转化成异侧两点线段和最小的问题,再利用两点之间线段最短,连接A、B',与l的交点C即为所求。

  师:非常好,这里我们用到了轴对称变换实现线段的转移,从而将问题转化成已学知识来解决。那如果在这个问题中,把BD移到河对岸,从A地到B地需架一座桥梁,且河两岸平行,直线桥要和河垂直,桥MN要造在何处,才能使从A到B的路径AMNB最短呢?这就是历史上著名的造桥选址问题,也是本节课重点要解决的问题。

  怎么解决这个题目呢?可以回忆上节课牧马人饮马的研究思路,先把这个实际问题抽象出数学模型。把两条平行的河岸看成两条平行直线,A、B两地看成两个定点。现在桥MN位置不确定,为研究方便,我们在河岸上任意取一座桥MN,连接AM、BN。也就是要求当MN在何处时,能使从A到B的路径AM + MN + BN的和最小。用数学语言清晰表述后,我们来找找题目中的条件,发现仅有两条平行直线和两个确定的点。AB、MN是为研究问题所选的一般点,要求MN在何处时,这三条线段和最小。能不能把这个问题简化一下呢?我们发现MN垂直于河岸,知道一个点位置就能确定另一个点位置,同时MN是平行线之间的距离,是定长,不影响最小值。于是就把所求的两个动点、三条线段和的最小值,转化成当点N在直线b什么位置时,有AM + NB的和最小。

  通过转化得到两条线段和最小的问题,这和上节课内容有类似地方,大家能联想到哪一种图形?我们看到图形中A、B在直线两侧,很容易联想到上节课当A、B在l两侧时,在直线上找一点C,使得AC + BC和最小的图形。请同学们思考这两个图形的区别是什么?怎样通过图形变换转化成这个图形呢?我们观察到右图中AC、BC这两条线段和l交于同一个动点C,而左图中AM、BN和两条直线交于两个动点。怎样将两个动点转化成一个动点呢?可以借助图形变换。大家还记得图形变换包括哪些吗?轴对称解决了上节课的牧马人饮马问题,平移能帮我们解决今天的问题吗?请同学们先思考一下。

  为使图中M、N两点重合,我们将AM沿着垂直于河岸的方向向下平移,使M、N两点重合,此时点A就移动到A'的位置。由平移性质可知,AM = A'N,AA' = MN,也就是将定点A沿着垂直于河岸的方向向下平移河宽的距离得到A',从而将所求问题转化成当点N在直线b什么位置时,有A'N + BN的和最小。

  转化后的问题,A'N和BN刚好共端点N,这就是上节课所学内容,同学们还记得怎么解决吗?

  生:连接A'B与直线b的交点N,我们发现图形中有两个点N,前面的MN是为研究图形状态选的一般点,为和最小值的点N区分,记原来的点为M'N'。有了点N,怎么求点M呢?

  师:因为桥MN垂直于河岸,所以过点N作垂直于河岸的垂线交直线a于点M,连接AM,则此时MN即为所求。我们梳理一下作图过程:如图,将点A沿着垂直于河岸的方向向下平移河宽的距离,得到A',连接A'B与直线b交于点N,在点N处作河岸的垂线交直线a于点M,连接AM,则此时AM + MN + BN最短。当然也可以从点B出发,通过平移使两个动点重合,这个过程请同学们课后自己完成。

  有同学会问,为什么这样找到的点M、N是符合条件的点呢?怎样用数学语言证明这个最小值?在上节课牧马人饮马问题中,我们也用数学语言证明过最小值问题。要证明AC + BC的和最小,就在直线l上另外再取一点C',通过证明AC' + BC'的和大于AC + BC,从而说明点C就是要找的最小值的点。那么在这里按照同样方法,在河岸上另外再取一座桥M'N',连接A'N'。

  要说明AMNB最短,也就是要证明AM' + M'N' + BN'大于AM + MN + BN。这里M'N'和MN河宽相等,所以可简化为证明AM' + BN'大于AM + BN即可。通过平移性质可知AM' = A'N',AM = A'N,于是只需证明A'N' + BN'大于A'N + BN,也就是A'B的长度即可。

  观察这三条线段位置,A'N'和BN'恰好是A'、B这两点的折线距离,根据两点之间线段最短,上述不等式成立,即完成证明过程。请同学们按下暂停键,看一下完整的证明书写。至此,我们解决了造桥选址问题,来小结一下。在寻找解决方案过程中,多次用到转化思想。首先遇到MN造在何处使三条线段和最小的问题,从特殊线段MN入手,发现它垂直河岸,一个点确定另一点也确定,且是定长不影响最小值,于是把问题简化成当点N在直线b什么位置时,AM + NB这两条线段和最小。

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《8年级上册数学 第13章 13.4课题学习 最短路径问题(第二课时) 逐字稿-3,653字 第5版》.docx
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