探索:最短路径问题
核心概念
问题原型("将军饮马"):直线 一侧有两点 。在 上求一点 ,使 最小。
解题策略 —— 利用轴对称把折线变直线:
- 作 关于 的对称点 ;
- 连接 ,与 的交点就是要找的 ;
- 最小值 (三点共线,折线最短)。
核心两条原理:
- 轴对称: 到 上任一点 的距离 到 的距离,即 ;
- 两点之间线段最短:,当且仅当 在线段 上时取等。
这种"把折线拉直"的技巧也可用于:
- 在直线两侧的 "两线之间最短折线"(直接连 ,无需对称);
- 多次反射的最短闭合路径。
直观理解 · 动手试试
为什么取 的对称点 ,再连 就是答案?
关键事实:对任意 上的点 ,都有 (轴对称定义)。所以 。把 替换成 之后,问题变成"在 和 之间找一条经过 上某点 的折线",而线段(直线)总比折线短 —— 当 落在线段 上时长度等于 ,这就是最小值。
下面亲自拖动 沿河岸移动,打开 反射看看最优 在哪儿:
将军饮马:最短路径
直线 为 轴, 都在 上方。在 上找一点 使 最小,求该最小值。
把 A 关于 ℓ 反射到 A′,PA = PA′,于是 PA+PB = PA′+PB ≥ A′B(三点共线时最短)。最小值就是 A′B = √34。
▸查看解答步骤
答: 最短距离 = √34。
在直线 同侧, 到 距离 , 到 距离 , 在 上的投影之间距离为 。在 上找 使 最小。
A、B 在 ℓ 同侧时,把其中一个反射到另一侧,连成直线即最短。高度相加(2+3=5)配水平 12,正好 5-12-13 → 13。
▸查看解答步骤
答: 最小值 = AB' = 13。
即时练习
"将军饮马"问题中,我们利用的核心几何工具是?
勾股定理轴对称 + "两点之间线段最短"三角形内角和相似三角形用轴对称把"同侧两点"变成"异侧两点",再用"两点之间线段最短"直接连线。
把同侧两点之一作关于直线的对称,可使折线 转化为直线 ,从而最小值为 。
这是该类问题的标准解法核心。
若 已在直线 两侧,求 上一点 使 最小,应该?
作 关于 的对称点 作 关于 的对称点 直接连接 , 与 的交点即为 无法求最小值已经在两侧时,线段 必交 ,这个交点就是 ,最小值 ,不需对称。
直线 上方有点 ,下方有点 ,,线段 与 相交于 。则 上一动点 使 最小的最小值是多少?
两点异侧,最小值就是 本身 ,在 处取到。
易错点
- 没作对称就直接连接 。 同侧时,直接连接 与 一般不相交;即便相交,折线 也比 长。必须先作对称。
- 对称作错点。 同侧两点要选一个作对称(任意一个皆可);两个都作没必要,只会复杂化。
- 忽略已经异侧的情况。 若 本就分居两侧,不需要对称, 直接交 处即最优解。