挑战16 分钟未开始

探索:最短路径问题

核心概念

问题原型("将军饮马"):直线 \ell 一侧有两点 A,BA, B。在 \ell 上求一点 PP,使 PA+PBPA + PB 最小

解题策略 —— 利用轴对称把折线变直线:

  1. AA 关于 \ell 的对称点 AA';
  2. 连接 ABA'B,与 \ell 的交点就是要找的 PP;
  3. 最小值 PA+PB=PA+PB=ABPA + PB = PA' + PB = A'B(三点共线,折线最短)。

核心两条原理:

  • 轴对称:AA\ell 上任一点 PP 的距离 =A= A'PP 的距离,即 PA=PAPA = PA';
  • 两点之间线段最短:PA+PBABPA' + PB \geq A'B,当且仅当 PP 在线段 ABA'B 上时取等。

这种"把折线拉直"的技巧也可用于:

  • A,BA, B 在直线两侧的 "两线之间最短折线"(直接连 ABAB,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 AA 的对称点 AA',再连 ABA'B 就是答案?

关键事实:对任意 \ell 上的点 QQ,都有 QA=QAQA = QA'(轴对称定义)。所以 QA+QB=QA+QBQA + QB = QA' + QB。把 QAQA 替换成 QAQA' 之后,问题变成"在 AA'BB 之间找一条经过 \ell 上某点 QQ 的折线",而线段(直线)总比折线短 —— 当 QQ 落在线段 ABA'B 上时长度等于 ABA'B,这就是最小值。

下面亲自拖动 PP 沿河岸移动,打开 BB' 反射看看最优 PP 在哪儿:

互动演示

将军饮马:最短路径

直线 ℓ (河岸)B′P_optABP
你的路径 A → P → B
10.96
最短路径 |AB′|
10.67
差距 = 0.29。试着把 P 拖到 A 与 B′ 的连线上。
拖动 A、B(河岸上方)与 P(沿河)。打开"显示 B′"看见反射点;最优 P 在 A → B′ 与河的交点。
例题 1将军饮马 — 求最短距离

直线 \ellxx 轴,A(1,2), B(4,3)A(1, 2),\ B(4, 3) 都在 \ell 上方。在 \ell 上找一点 PP 使 PA+PBPA + PB 最小,求该最小值。

互动演示将军饮马:反射把折线拉直
A(1,2)B(4,3)P
最短 PA + PB = A′B = √((4−1)² + (3+2)²) = √34 ≈ 5.83

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。

例题 2对称化把折线变直线

A,BA, B 在直线 \ell 同侧,AA\ell 距离 22,BB\ell 距离 33,A,BA, B\ell 上的投影之间距离为 1212。在 \ell 上找 PP 使 PA+PBPA + PB 最小。

互动演示同侧两点 → 反射一个,凑出 5-12-13
AB23

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 PA+PBPA + PB 转化为直线 PA+PBPA' + PB,从而最小值为 ABA'B

    这是该类问题的标准解法核心。

    A,BA, B 已在直线 \ell 两侧,求 \ell 上一点 PP 使 PA+PBPA + PB 最小,应该?

    AA 关于 \ell 的对称点 AA'BB 关于 \ell 的对称点 BB'直接连接 ABAB,ABAB\ell 的交点即为 PP无法求最小值

    A,BA, B 已经在两侧时,线段 ABAB 必交 \ell,这个交点就是 PP,最小值 =AB= AB,不需对称。

      直线 \ell 上方有点 AA,下方有点 BB,AB=10AB = 10,线段 ABAB\ell 相交于 P0P_0。则 \ell 上一动点 PP 使 PA+PBPA + PB 最小的最小值是多少?

      两点异侧,最小值就是 ABAB 本身 =10= 10,在 P0P_0 处取到。

      易错点

      • 没作对称就直接连接 ABAB A,BA, B 同侧时,直接连接 ABAB\ell 一般不相交;即便相交,折线 PA+PBPA + PB 也比 ABAB 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。A,BA, B 本就分居两侧,不需要对称,ABAB 直接交 \ell 处即最优解。

      下一步

      前置知识点
      接下来学习