第十三章 · 第四节
课题学习 最短路径问题
利用轴对称解决最短路径问题

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 理解将军饮马问题,掌握利用轴对称求PA+PB最小值的方法
  • 能利用轴对称变换将折线转化为直线来解决最短路径问题
  • 了解造桥选址问题的解题思路
  • 体会轴对称在最值问题中的转化思想
知识点一:将军饮马问题
📐 问题模型
直线 l 的同侧有两个点 A 和 B,在直线 l 上求一点 P,使 PA + PB 的值最小。
  • 解题方法:作点 A 关于直线 l 的对称点 A',连接 A'B 交直线 l 于点 P,则点 P 即为所求,PA + PB 的最小值等于 A'B
  • 关键依据:由轴对称性质知 PA = PA',所以 PA + PB = PA' + PB。当 P 在线段 A'B 上时,PA' + PB = A'B(两点之间线段最短),此时 PA + PB 取得最小值 A'B。
💡 核心思想
利用轴对称变换,将"折线 PA + PB"转化为"线段 A'B",从而把求折线长度最小值问题转化为两点之间线段最短的问题。
知识点二:利用轴对称将折线转化为直线
📐 转化原理
对于直线 l 上的任意一点 P,由轴对称性质有 PA = PA'(A' 是 A 关于 l 的对称点)。因此 PA + PB = PA' + PB。
要使 PA' + PB 最小,只需让 P 在线段 A'B 上,此时 PA' + PB = A'B(最小)。对于 l 上其他点 P',P'A' + P'B > A'B(三角形两边之和大于第三边)。
折线 PA + PB
轴对称变换 PA = PA'
PA' + PB ≥ A'B
最小值 = A'B
知识点三:造桥选址问题
📐 问题模型
A 和 B 两地在一条河(两岸为平行线 l₁、l₂)的两侧。要在河上建一座桥 MN(M 在 l₁ 上,N 在 l₂ 上,MN ⊥ l₁),使从 A 到 B 的路程 AM + MN + NB 最小。
  • 解题方法:将点 A 沿垂直于河岸的方向平移河宽的距离到 A'',连接 A''B 交 l₂ 于点 N,过 N 作 MN ⊥ l₂ 交 l₁ 于点 M,则 MN 即为造桥位置。
  • 关键依据:平移后 AM = A''N 且 MN = AA''(固定值),所以 AM + MN + NB = A''N + AA'' + NB。AA'' 固定,最小化 A''N + NB 即可,转化为两点之间线段最短。
知识点四:最短路径问题的基本思路
  • 核心转化思想:利用轴对称(或平移)变换,将折线段之和转化为两点之间的线段,再利用"两点之间线段最短"求解。
  • 常见类型:① PA + PB 最小(将军饮马);② |PA - PB| 最大;③ 造桥选址;④ 多段折线最短。
  • 理论依据:两点之间线段最短;三角形两边之和大于第三边;三角形两边之差小于第三边。

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📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1 将军饮马基本问题
已知点 A、B 在直线 l 的同侧,在直线 l 上求一点 P,使 PA + PB 的值最小。
A、B 在 l 同侧 → 求 P 使 PA + PB 最小
🔍 解题过程
1 作对称点:作点 A 关于直线 l 的对称点 A'(即过 A 作 l 的垂线,垂足为 O,延长 AO 至 A',使 OA' = OA)。
2 连线找交点:连接 A'B,交直线 l 于点 P。由轴对称性质 PA = PA',所以 PA + PB = PA' + PB = A'B
3 证明最小:在 l 上任取另一点 P',则 P'A + P'B = P'A' + P'B > A'B(三角形两边之和大于第三边)。故 PA + PB 的最小值为 A'B,点 P 即为所求。
✅ 作 A 关于 l 的对称点 A',连接 A'B 交 l 于 P,PA + PB 最小值 = A'B
例题 2 在直线l上找点P使|PA-PB|最大
已知点 A、B 在直线 l 的异侧,在直线 l 上求一点 P,使 |PA - PB| 的值最大。
A、B 在 l 异侧 → 求 P 使 |PA - PB| 最大
🔍 解题过程
1 作对称点:作点 A 关于直线 l 的对称点 A'。由于 A、B 在 l 异侧,所以 A' 与 B 在 l 的同侧
2 连线找交点:连接 A'B 并延长交直线 l 于点 P。由轴对称性质 PA = PA',所以 |PA - PB| = |PA' - PB|。
3 证明最大:由三角形两边之差小于第三边,|PA' - PB| ≤ A'B。当 P、A'、B 三点共线(且 P 不在线段 A'B 上)时取等号,此时 |PA - PB| = A'B 为最大值。
✅ 作 A 关于 l 的对称点 A',连接 A'B 延长交 l 于 P,|PA - PB| 最大值 = A'B
例题 3 造桥选址问题
A、B 两地在河的两岸(岸为平行线 l₁、l₂),桥 MN ⊥ l₁(M 在 l₁ 上,N 在 l₂ 上),求建桥位置使 AM + MN + NB 最小。
桥 MN ⊥ 河岸,河宽固定 → 求 AM + MN + NB 最小
🔍 解题过程
1 平移转化:将点 A 沿垂直于河岸的方向(即 MN 方向)平移河宽的距离到 A''。则 AM = A''N(平移对应相等),且 MN = AA''(河宽固定)。
2 转化为线段最短:AM + MN + NB = A''N + AA'' + NB。由于 AA'' = MN(固定值),只需使 A''N + NB 最小,即连接 A''B 交 l₂ 于点 N。
3 确定桥位:过 N 作 MN ⊥ l₂ 交 l₁ 于点 M,则 MN 即为造桥位置。此时 AM + MN + NB = A''B + AA'',取得最小值
✅ 将 A 平移河宽得 A'',连 A''B 交 l₂ 于 N,过 N 作 MN ⊥ l₂,即为最优造桥位置

🚀 拓展提升

🔗 最短路径问题的变式(多个点的情况)

将军饮马问题可以推广到多个点和多条直线的情形,核心思路不变——利用轴对称变换将折线转化为直线。

  • 两点两线问题:在两条直线 l₁、l₂ 上分别找点 P、Q,使 AP + PQ + QB 最小。对 l₁ 作 A 的对称点 A',对 l₂ 作 B 的对称点 B',连接 A'B' 与 l₁、l₂ 的交点即为 P、Q。
  • 三角形周长最小问题:在三角形一边上找一点,使到三个顶点的距离之和最小,同样利用轴对称转化为直线段。

📐 轴对称在最值问题中的应用

轴对称变换是解决几何最值问题的核心工具之一,其本质是将"折线"转化为"直线":

折线段之和 →(轴对称变换)→ 两点间线段 → 线段最短
  • 求最小值(PA + PB 最小):对称后共线取等 → 两点之间线段最短
  • 求最大值(|PA - PB| 最大):对称后共线取等 → 两边之差 ≤ 第三边
  • 造桥问题:平移变换(本质与轴对称类似)消除固定段后转化为线段最短

💡 解题口诀

最短路径问题的解题口诀:

找对称点 → 连线段 → 找交点 → 验最值

步骤:① 找到需要对称的点,作其关于直线的对称点;② 连接对称点与另一点形成线段;③ 线段与直线的交点即为所求点;④ 利用三角形三边关系验证最值。

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题 ★☆☆ 基础
将军饮马问题中,作 A 关于直线 l 的对称点 A',连接 A'B 交 l 于 P,则 PA + PB 等于?
APA' + PB(即 A'B)
BPA - PB
CA'B - PB
DPA × PB
第 2 题 ★☆☆ 基础
将军饮马问题的核心思想是?
A利用全等三角形
B利用轴对称将折线转化为直线
C利用勾股定理
D利用平行线性质
第 3 题 ★★☆ 巩固
A、B 在直线 l 同侧,A' 是 A 关于 l 的对称点,连接 A'B 交 l 于 P。若 A'B = 10,则 PA + PB 的最小值 = ______。
第 4 题 ★★☆ 巩固
关于造桥选址问题,下列说法正确的是?
A桥的位置不影响总路程
B桥必须垂直于河岸且长度固定(等于河宽)
C应该在 A、B 连线与河的交点处建桥
D桥越长总路程越短
第 5 题 ★★☆ 巩固
将军饮马问题中,A 到直线 l 的距离为 3,A' 是 A 关于 l 的对称点,则 AA' = ______。

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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课程完成!

恭喜你完成了「课题学习 最短路径问题」的学习!

📌 本节核心要点回顾:
① 将军饮马问题:作对称点 A',连 A'B 交 l 于 P,PA+PB 最小值 = A'B
② 核心思想:利用轴对称将折线转化为直线(两点之间线段最短)
③ |PA-PB| 最大:对称后共线,最大值 = A'B(两边之差 ≤ 第三边)
④ 造桥选址:平移消除固定段后转化为线段最短
⑤ 理论依据:两点之间线段最短;三角形三边关系

✏️ 做练习题