文档内容
专题 09 圆的最值模型之隐圆模型
一、模型说明
1、动点定长模型
若P为动点,但AB=AC=AP,则B、C、P三点共圆,A圆心,AB半径
2、直角圆周角模型
固定线段AB所对动角∠C恒为90°,则A、B、C三点共圆,AB为直径
3、四点共圆模型
固定线段AB所对同侧动角∠P=∠C,则A、B、C、P四点共圆
二、例题精讲
例1.(直角模型1)如图,正方形 的边长为4,点E是正方形 内的动点,点P是 边上的
动点,且 .连结 , , , ,则 的最小值为( )A. B. C. D.
【答案】A
【分析】先证明 ,即可得点E在以 为直径的半圆上移动,设 的中点为O,作正方形
关于直线 对称的正方形 ,则点D的对应点是F,连接 交 于P,交半圆O于E,根
据对称性有: ,则有: ,则线段 的长即为 的长度最小值,问题随
之得解.
【详解】解:∵四边形 是正方形,
∴ ,
∴ ,
∵ ,
∴ ,
∴ ,
∴点E在以 为直径的半圆上移动,
如图,设 的中点为O,
作正方形 关于直线 对称的正方形 ,
则点D的对应点是F,
连接 交 于P,交半圆O于E,
根据对称性有: ,则有: ,
则线段 的长即为 的长度最小值,E
∵ , ,
∴ , ,
∴ ,
∴ ,
故 的长度最小值为 ,
故选:A.
【点睛】本题考查了轴对称﹣最短路线问题,正方形的性质,勾股定理,正确的作出辅助线,得出点E的
运动路线是解题的关键.
例2.(直角模型2)如图,四边形 为矩形, , .点P是线段 上一动点,点M为线
段 上一点. ,则 的最小值为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【分析】证明 ,得出点M在O点为圆心,以AO为半径的圆上,从而计算出答案.
【详解】设AD的中点为O,以O点为圆心,AO为半径画圆∵四边形 为矩形
∴
∵
∴
∴
∴点M在O点为圆心,以AO为半径的圆上
连接OB交圆O与点N
∵点B为圆O外一点
∴当直线BM过圆心O时,BM最短
∵ ,
∴
∴
∵
故选:D.
【点睛】本题考查直角三角形、圆的性质,解题的关键是熟练掌握直角三角形和圆的相关知识.
例3(四点共圆).如图,在△ABC中,∠ACB=90°,AC=BC,AB=4cm,CD是中线,点E、F同时从
点D出发,以相同的速度分别沿DC、DB方向移动,当点E到达点C时,运动停止,直线AE分别与CF、
BC相交于G、H,则在点E、F移动过程中,点G移动路线的长度为( )A.2 B.π C.2π D. π
【答案】D
【详解】解:如图,
∵CA=CB,∠ACB=90°,AD=DB,
∴CD⊥AB,
∴∠ADE=∠CDF=90°,CD=AD=DB,
在△ADE和△CDF中,
,
∴△ADE≌△CDF(SAS),
∴∠DAE=∠DCF,
∵∠AED=∠CEG,
∴∠ADE=∠CGE=90°,
∴A、C、G、D四点共圆,
∴点G的运动轨迹为弧CD,
∵AB=4,AB AC,∴AC=2 ,
∴OA=OC ,
∵DA=DC,OA=OC,
∴DO⊥AC,
∴∠DOC=90°,
∴点G的运动轨迹的长为 π.
故选:D.
例4.(动点定长)如图,菱形ABCD边长为4,∠A=60°,M是AD边的中点,N是AB边上一动点,将
△AMN沿MN所在的直线翻折得到△A′MN,连接A′C,则A′C的最小值是( )
A.2 B. +1 C.2 ﹣2 D.3
【答案】C
【分析】根据题意,在折叠过程中A′在以M为圆心、AD为直径的圆上的弧AD上运动,当A′C取最小值时,
由两点之间线段最短知此时M、A′、C三点共线,得出A′的位置,过点M作MH⊥DC于点H,再利用含30°
的直角三角形的性质以及勾股定理求出MC的长,进而求出A′C的长即可.
【详解】解:如图所示,∵MA′是定值,A′C长度取最小值时,即A′在MC上.
过点M作MH⊥DC于点H,
∵在边长为4的菱形ABCD中,∠MAN=60°,M为AD的中点,
∴2MD=AD=CD=4,∠HDM=∠MAN=60°,
∴MD=2,∠HMD=30°,
∴HD= MD=1,∴HM= = ,CH=CD+DH=5,
∴ ,
∴A′C=MC-MA′=2 -2;
故选:C.
【点睛】本题考查翻折变换、菱形的性质、勾股定理、两点之间线段最短等知识,解题的关键是学会添加
常用辅助线,构造直角三角形解决问题,突破点是正确寻找点A′的位置.
例5.(综合1)正方形ABCD中,AB=4,点E、F分别是CD、BC边上的动点,且始终满足DE=CF,
DF、AE相交于点G.以AG为斜边在AG下方作等腰直角 AHG使得∠AHG=90°,连接BH.则BH的最小
值为( ) △
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】首先证明 ,从而 ,再根据 ,可求 ,可知点
H的运动轨迹为以点M 为圆心,MH为半径的圆,从而可求BH最小值.
【详解】解:如图,取AD中点O,连接OG,以AO为斜边作等腰直角三角形AOM,则 ,
在 和 中,
,
∴ (SAS),
∴ ,
∵ ,
∴ ,
∴ ,
是直角三角形,
∴ ,
∵ 为等腰直角三角形,
∴ ,
∴ ,
又∵ ,
∴ ,
∴ ,
∴ ,
∴点H的运动轨迹为以点M 为圆心,MH为半径的圆,如图,连接BM,交圆M于 ,过点M作 于点P,
∵ , ,
∴ ,
∴ 为等腰直角三角形,
∵ ,
∴AP=MP= =1,
∴BP=4-1=3,
在 中, ,
∴ .
∴BH的最小值为 .
故选:C.
【点睛】本题考查了最短路径问题,解题的关键是准确构造辅助线,利用三角形相似以及点和圆的知识解
决.
例6.(综合2)如图,四边形 是正方形, 是等边三角形, 为对角线 (不含 点)上任
意一点,将 绕点 逆时针旋转 得到 ,连接 、 、 .
(1)求证: ;
(2)①当 点在何处时, 的值最小;
②当 点在何处时, 的值最小,并说明理由;
(3)当 的最小值为 时,求正方形的边长.
【答案】(1)见解析;(2)①当M点落在BD的中点时;②当M点位于BD与CE的交点处时,AM+
BM+CM的值最小,理由见解析;(3)【分析】(1)由题意得 , ,所以 ,容易证出 ;
(2)①根据“两点之间线段最短”,可得,当 点落在 的中点时, 的值最小;
②根据“两点之间线段最短”,当 点位于 与 的交点处时, 的值最小,即等于
的长(如图);
(3)作辅助线,过 点作 交 的延长线于 ,由题意求出 ,设正方形的边长为 ,
在 中,根据勾股定理求得正方形的边长为 .
【详解】解:(1)证明: 是等边三角形,
, .
,
.
即 .
又 ,
.
(2)解:①当 点落在 的中点时, 、 、 三点共线, 的值最小.②如图,连接 ,
当 点位于 与 的交点处时,
的值最小,
理由如下:连接 ,由(1)知, ,
,
, ,
是等边三角形.
.
.
根据“两点之间线段最短”可知,若 、 、 、 在同一条直线上时, 取得最小值,最
小值为 .在 和 中, ,
,
, ,
, 若连接 ,则 ,
, ,、 可以同时在直线 上.
当 点位于 与 的交点处时, 的值最小,即等于 的长.
(3)解:过 点作 交 的延长线于 ,
.
设正方形的边长为 ,则 , .
在 中, ,
.解得 , (舍去负值).
正方形的边长为 .
【点睛】本题考查轴对称的性质和正方形的性质,三角形全等的判定、等腰三角形的性质、勾股定理,解
题的关键是掌握以上知识点,添加适当辅助线,灵活运用.
三、课后训练
1.如图,在 中, , cm, cm. 是 边上的一个动点,连接 ,过
点 作 于 ,连接 ,在点 变化的过程中,线段 的最小值是( )
A.1 B. C.2 D.
【答案】A【分析】由∠AEC=90°知,点E在以AC为直径的⊙M的 上(不含点C、可含点N),从而得BE最短
时,即为连接BM与⊙M的交点(图中点E′点),BE长度的最小值BE′=BM−ME′.
【详解】如图,
由题意知, ,
在以 为直径的 的 上(不含点 、可含点 ,
最短时,即为连接 与 的交点(图中点 点),
在 中, , ,则 .
,
长度的最小值 ,
故选: .
【点睛】本题主要考查了勾股定理,圆周角定理,三角形的三边关系等知识点,难度偏大,解题时,注意
辅助线的作法.
2.如图, 中, , , ,P是 内部的一个动点,满足 ,
则线段CP长的最小值为( )
A. B.2 C. D.
【答案】D
【分析】结合题意推导得 ,取AB的中点O,以点O为圆心, 为直径作圆,连接OP;根据直角三角形斜边中线的性质,得 ;根据圆的对称性,得点P在以AB为直径的
上,根据两点之间直线段最短的性质,得当点O、点P、点C三点共线时,PC最小;根据勾股定理的性质
计算得 ,通过线段和差计算即可得到答案.
【详解】 ,
,
, , ,
取AB的中点O,以点O为圆心, 为直径作圆,连接OP,
点P在以AB为直径的 上,连接OC交 于点P,
当点O、点P、点C三点共线时,PC最小
在 中, , , ,
,
, 最小值为
故选:D.
【点睛】本题考查了两点之间直线段最短、圆、勾股定理、直角三角形斜边中线的知识;解题的关键是熟
练掌握圆的对称性、两点之间直线段最短、直角三角形斜边中线的性质,从而完成求解.
3.如图,在Rt 和Rt 中, , ,AB=AE=5.连接BD,CE,将
△ 绕点A旋转一周,在旋转的过程中当 最大时,△ACE的面积为( ).A.6 B. C.9 D.
【答案】A
【分析】先分析出D的轨迹为以A为圆心AD的长为半径的圆,当BD与该圆相切时,∠DBA最大,过C
作CF⊥AE于F,由勾股定理及三角函数计算出BD、CF的长,代入面积公式求解即可.
【详解】解:由题意知,D点轨迹为以A为圆心AD的长为半径的圆,
当BD与D点的轨迹圆相切时,∠DBA取最大值,此时∠BDA=90°,如图所示,
过C作CF⊥AE于F,
∵∠DAE=90°,∠BAC=90°,
∴∠CAF=∠BAD,
在Rt△ABD中,由勾股定理得:BD= ,
∴由sin∠CAF=sin∠BAD得:
,即 ,
解得:CF= ,
∴此时三角形ACE的面积= =6,故选:A.
【点睛】本题考查了旋转的性质、锐角三角函数、勾股定理等知识点.此题综合性较强,解题关键是利用
D的轨迹圆确定出∠DBA取最大值时的位置.
4.如图,在△ABC中,∠C=90°,AC=8,AB=10,D是AC上一点,且CD=3,E是BC边上一点,将
△DCE沿DE折叠,使点C落在点F处,连接BF,则BF的最小值为 .【答案】 /
【分析】先由折叠判断出F的运动轨迹是为以D为圆心,CD的长度为半径的圆,当B、D、F共线且F在
B、D之间时BF最小,根据勾股定理及圆的性质求出此时BD、BF的长度即可.
【详解】解:由折叠知,F点的运动轨迹为:以D为圆心,CD的长度为半径的圆,如图所示,
可知,当点B、D、F共线,且F在B、D之间时,BF取最小值,
∵∠C=90°,AC=8,AB=10,∴BC=6,
在Rt△BCD中,由勾股定理得:BD= ,
∴BF=BD-DF= ,故答案为: .
【点睛】本题考查了折叠的性质、圆的性质、勾股定理解直角三角形的知识,该题涉及的最值问题属于中
考常考题型,根据折叠确定出F点运动轨迹是解题关键.
5.△ABC中,AB=AC=5,BC=6,D是BC的中点,E为AB上一动点,点B关于DE的对称点 在△ABC内(不含△ABC的边上),则BE长的范围为 .
【答案】
【分析】首先根据运动特点分析出点 的运动轨迹在以 为圆心, 为半径的圆弧上,然后分点 恰好
落在 边上和点 恰好落在 边上两种情况讨论,分别利用勾股定理以及等腰三角形的性质和判定进
行求解和证明即可得出两种临界情况下 的长度,从而得出结论.
【详解】解:∵点B与 关于DE对称,
∴ ,则点 的运动轨迹在以 为圆心, 为半径的圆弧上,
①如图所示,当点 恰好落在 边上时,此时,连接 和 ,
由题意及“三线合一”知, , ,
∴在 中, ,
此时,根据对称的性质, ,
∴由等面积法, ,
∴ ,
在 中, ;
②如图所示,当点 恰好落在 边上时,连接 、 、 和 ,
由题意, ,
∴ , ,
∴ ,即: ,
∴ ,
即: ,
∵点B与 关于DE对称,
∴ , ,
∴ ,
∴ , ,
由对称的性质, ,
∴ ,
∴ ,
∴ ,
即:此时点 为 的中点,
∴此时, ,
综上, 长的范围为 ,
故答案为: .
【点睛】本题考查等腰三角形的性质和判定,以及勾股定理解直角三角形等,能够根据题意准确分析出动
点的运动轨迹,并构建适当的三角形进行求解是解题关键.
6.如图,在Rt ABC中,∠ACB=90°,D为AC的中点,M为BD的中点,将线段AD绕A点任意旋转
(旋转过程中始终保持点M为BD的中点),若AC=8,BC=6,那么在旋转过程中,线段CM长度的取
值范围是 .【答案】3≤CM≤7
【分析】由勾股定理可求AB=10,由三角形中位线定理可求OM=2,点M在以O为圆心,OM长为半径
的圆上运动,即可求解.
【详解】解:如图,取AB中点O,连接OC,OM,
∵AC=8,BC=6,
∴AB= ,
∵D为AC的中点,点O是AB中点,
∴AD=4,CO=5,
∵M为BD的中点,点O是AB中点,
∴OM= AD=2,
∴点M在以O为圆心,OM长为半径的圆上运动,
∴当点M在线段OC上时,CM有最小值=5﹣2=3,
当点M在线段CO的延长线时,CM有最大值=5+2=7,
∴线段CM长度的取值范围3≤CM≤7,
故答案为:3≤CM≤7.
【点睛】本题主要考查三角形中位线及隐圆问题,熟练掌握三角形的中位线及动点的运动轨迹是解题的关
键.
7.如图,在矩形 中, , ,点 、 分别是边 、 上的动点,且 ,点 是
的中点, 、 ,则四边形 面积的最小值为 .
【答案】38
【分析】首先连接AC,过B作BH⊥AC于H,当G在BH上时,三角形ACG面积取最小值,此时四边形AGCD面积取最小值,再连接BG,知BG=2,得到G点轨迹圆,该轨迹与BH交点即为所求最小值时的G
点,利用面积法求出BH、GH的长,代入三角形面积公式求解即可.
【详解】解:连接 ,过 作 于 ,
当G在BH上时,△ACG面积取最小值,此时四边形AGCD面积取最小值,
四边形AGCD面积=三角形ACG面积+三角形ACD面积,
即四边形AGCD面积=三角形ACG面积+24.
连接BG,由G是EF中点,EF=4知,
BG=2,
故G在以 为圆心, 为半径的圆弧上,圆弧交 于 ,此时四边形AGCD面积取最小值,如图所示,
由勾股定理得:AC=10,
∵ AC·BH= AB·BC,
∴BH=4.8,
∴ ,
即四边形 面积的最小值= .
故答案为: .
【点睛】本题考查了勾股定理及矩形中的与动点相关的最值问题,解题的关键是利用直角三角形斜边的直
线等于斜边的一半确定出 点的运动轨迹.
8.如图,四边形 中, , , , ,点 是四边形
内的一个动点,满足 ,则 面积的最小值为 .【答案】
【分析】取 的中点 ,连接 ,过点 作 交 的延长线于点 ,过点 作 于 ,
交 于 ,则 ,通过计算得出当 三点共线时, 有最小值,求出最小值即可.
【详解】解:如图,
取 的中点 ,连接 ,过点 作 交 的延长线于点 ,过点 作 于 ,交
于 ,则 ,
, , ,
,
,
,
,
,
,
,
四边形 为等腰梯形,
,
, , ,
,
点 在以点 为圆心,2为半径的圆上,
,
,
,
, ,,
,
, , ,
,
当 三点共线时, 有最小值 ,
面积的最小值为 .
【点睛】本题考查了解直角三角形、隐圆、直角三角形的性质等知识点,点 位置的确定是解题关键.
9.如图,△ABC为等边三角形,AB=2,若P为△ABC内一动点,且满足∠PAB=∠ACP,则点P运动的
路径长为 .
【答案】
【详解】解:∵△ABC是等边三角形,
∴∠ABC=∠BAC=60°,AC=AB=2,
∵∠PAB=∠ACP,
∴∠PAC+∠ACP=60°,
∴∠APC=120°,
∴点P的运动轨迹是 ,如图所示:
连接OA、OC,作OD⊥AC于D,
则AD=CD AC=1,
∵ 所对的圆心角=2∠APC=240°,
∴劣弧AC所对的圆心角∠AOC=360°﹣240°=120°,∵OA=OC,
∴∠OAD=30°,
∵OD⊥AC,
∴OD AD ,OA=2OD ,
∴ 的长为 π;
故答案为: π.
10.如图,正方形ABCD的边长为4,点E为边AD上一个动点,点F在边CD上,且线段EF=4,点G为
线段EF的中点,连接BG、CG,则BG+ CG的最小值为 .
【答案】5
【分析】因为DG= EF=2,所以G在以D为圆心,2为半径圆上运动,取DI=1,可证△GDI∽△CDG,
从而得出GI= CG,然后根据三角形三边关系,得出BI是其最小值
【详解】解:如图,在Rt△DEF中,G是EF的中点,
∴DG= ,
∴点G在以D为圆心,2为半径的圆上运动,
在CD上截取DI=1,连接GI,
∴ = = ,
∴∠GDI=∠CDG,
∴△GDI∽△CDG,
∴ = ,
∴IG= ,
∴BG+ =BG+IG≥BI,
∴当B、G、I共线时,BG+ CG最小=BI,
在Rt△BCI中,CI=3,BC=4,
∴BI=5,
故答案是:5.
【点睛】本题考查了相似三角形的性质与判定,圆的概念,求得点 的运动轨迹是解题的关键.
11.问题背景如图(1),△ABC为等腰直角三角形,∠BAC=90°,直线l绕着点A顺时针旋转,过B,C
两点分别向直线l作垂线BD,CE,垂足为D,E,此时△ABD可以由△CAE通过旋转变换得到,请写出旋
转中心、旋转方向及旋转角的大小(取最小旋转角度).
尝试应用如图(2),△ABC为等边三角形,直线l绕着点A顺时针旋转,D、E为直线l上两点,∠BDA
=∠AEC=60°.△ABD可以由△CAE通过旋转变换得到吗?若可以,请指出旋转中心O的位置并说明理由;
拓展创新如图(3)在问题背景的条件下,若AB=2,连接DC,直接写出CD的长的取值范围.
【答案】(1)旋转中心为BC边的中点O,旋转方向为逆时针,旋转角度为90°;(2)可以,旋转中心为
为等边 ABC三边垂直平分线的交点O,理由见解析;(3)
△
【分析】问题背景(1)根据等腰直角三角形的性质,以及旋转的性质确定即可;
尝试应用(2)首先通过证明 ABD和 CAE全等说明点A和点B对应,点C和点A对应,从而作AB和
AC的垂直平分线,其交点即为△旋转中点△;
拓展创新(3)首先确定出D点的运动轨迹,然后结合点与圆的位置关系,分别讨论出CD最长和最短时的
情况,并结合勾股定理进行求解即可.
【详解】解:问题背景(1)如图所示,作AO⊥BC,交BC于点O,
由等腰直角三角形的性质可知:∠AOC=90°,OA=OC,
∴点A是由点C绕点O逆时针旋转90°得到,
同理可得,点B是由点A绕点O逆时针旋转90°得到,
点D是由点E绕点O逆时针旋转90°得到,
∴ ABD可以由 CAE通过旋转变换得到,旋转中心为BC边的中点O,旋转方向为逆时针,旋转角度为
90△°; △
尝试应用(2)∵△ABC为等边三角形,
∴AB=AC,∠BAC=60°,∵∠DAC=∠DAB+∠BAC=∠AEC+∠EAC,∠BAC=∠AEC=60°,
∴∠DAB=∠ECA,
在 ABD和 CAE中,
△ △
∴ ABD≌ CAE(AAS),
∴△△ABD的△A、B、D三点的对应点分别为 CAE的C、A、E三点,
则AC、AB分别视作两组对应点的连线,△
此时,如图所示,作AC和AB的垂直平分线交于点O,
∵△ABC为等边三角形,
∴由等边三角形的性质可知,OC=OA=OB,∠AOC=120°,
∴ ABD可以由 CAE通过旋转变换得到,旋转中心为为等边 ABC三边垂直平分线的交点O;
△ △ △
拓展创新(3)由(1)知,在直线l旋转的过程中,总有∠ADB=90°,
∴点D的运动轨迹为以AB为直径的圆,
如图,取AB的中点P,连接CP,交⊙P于点Q,
则当点D在CP的延长线时,CD的长度最大,
当点D与Q点重合时,CD的长度最小,即CQ的长度,
∵AB=AC,AB=2,
∴AP=1,AC=2,
在Rt APC中, ,
△
由圆的性质,PD=AP=1,
∴PD=PQ=1,∴ , ,
∴CD的长的取值范围为: .
【点睛】本题主要考查旋转三要素的确定,以及旋转的性质,主要涉及等腰直角三角形和等边三角形的性
质,全等三角形的判定与性质,以及动点最值问题,掌握旋转的性质,确定出动点的轨迹,熟练运用圆的
相关知识点是解题关键.
12.(1)如图1,等边 的边长为2,点D为 边上一点,连接 ,则 长的最小值是______;
(2)如图2,已知菱形 的周长为16,面积为 ,E为 中点,若P为对角线 上一动点,Q为
边上一动点,计算 的最小值:
(3)如图3,已知在四边形 中, , , ,E为 边
上一个动点,连接 ,过点D作 ,垂足为点F,在 上截取 .试问在四边形
内是否存在点P,使得 的面积最小?若存在,请你在图中画出点P的位罝,并求出 的最小面积;
若不存在,请说明理由.
【答案】(1) ;(2) ;(3)存在,见解析,
【分析】(1)根据垂线段最短可知,当 时,线段 的值最小,再根据等边三角形的边长为2,确定高 ,从而得出结论;
(2)如图2中,作 于H,在 上截取 ,连接 , , .首先证明 是等
边三角形,证明 ,可得 ,推出 ,再根据垂线段最短即可解决
问题.
(3)存在,如图3中,以 为斜边在直线 的下方作等腰直角 ,作 于M,
于N,连接 , .证明点P的运动轨迹是 ,当点P在线段 上时, 的值最小,
此时 的面积最小.
【详解】解:(1)如图1中,根据垂线段最短可知,当 时,线段 的值最小,
∵ 是等边三角形,边长为2,
∴ 的高 ,
∴ 的最小值为 .
故答案为: .
(2)如图2中,作 于H,在 上截取 ,连接 , , .
∵四边形 是菱形,周长为16,
∴ , ,
∴ ,
∴ ,
∴ ,∴ ,
∴ 是等边三角形,
∵ ,
∴ ,
∵ , , ,
∴ ,
∴ ,
∴ ,
根据垂线段最短可知,当E,P,Q′共线,且点Q′与C重合时,
的值最小,最小值 .
∴ 的最小值为 .
(3)存在,理由如下:
如图3中,以 为斜边在直线 的下方作等腰直角 ,
作 于M, 于N,连接 , .
∵ , ,
∴ , ,
∵ ,∴ ,
∴ ,
∵ 是等腰直角三角形,
∴ ,
∵ ,
∴四边形 是矩形,
∴ , ,
∴ ,
∴ ,∴ ,
∵ , ,∴ ,∴ ,∴点P的运动轨迹是 ,
当点P在线段 上时, 的值最小,此时 的面积最小,
此时 ,
∴ 的面积的最小值 .