对于“如何找到两点之间的最短路线”,是古今中外都在研究的一个问题。
在我国古代,民间流传着这样的一个故事:
韩信攻下陈仓后,决定想个计策把将军们搜刮来的不义之财归还给当地的贫苦百姓。 一天,他宴请所有将军,在大家喝得尽兴时,传令兵来报:“汉王在十里外的帐篷传各位将军前去商讨国事。”当所有将军翻身上马后,韩信提议道:“各位将军,我们来场比赛如何?” 将军们问比什么,韩信用宝剑在地上画了个图说:“我们来个‘将军饮马’,先到河边饮马,再到汉王刘邦处,谁第一个到,所有的财宝都归他。”将军们的战马都是上等的好马,比赛绝对公平。 随后,将军们骑马朝河岸飞奔而去。但当他们一个个来到汉王刘邦的帐篷时,却发现韩信正与刘邦品茶谈话。将军们疑惑地问道:“韩将军,您没去饮马?”韩信笑道:“汉王与我喝的就是我带来的河水。” 原来,韩信并非比直往河边跑去,而是选择了河边的某一个位置,不论单单从出发点还是刘邦的帐篷,都不是最近的,但却是两端距离之和最短的点。最终,韩信赢下财宝,归还给了贫苦百姓,从此,“将军饮马”的故事便从此流传下来。
在数学领域,“将军饮马”也常被用作一个经典的几何问题,即求从一点出发,先到某一条直线处,然后再到同侧的另一点的最短路线。这个问题可以通过“图形运动”中的“轴对称”来解决。
首先,一起来回忆下“轴对称”相关的概念。轴对称是指将一个图形,沿一条直线进行翻折运动,这条直线称之为对称轴,如果一个平面图形沿着一条直线折叠后,直线两旁的部分能够互相重合,那么这个图形叫为轴对称图形。
“轴对称”作为平面图形“最高级”的运动方式,除了保留了“轴对称前后的形状、大小不变”的性质外,还有“对称轴一定垂直平分对称两点的线段”等性质。
在“将军饮马”问题中,将河流想象成一条直线,出发点和刘邦的帐篷可以看作在直线同一侧的两个点,进而转化成一道纯数学问题。
对于两个点,在我们手中只有“两点之间线段最短”这一基本事实,而如何先从一点到直线,再从直线到另一点的距离之和最短,却无法直接结论可用。
因此,数学家们的想法是:假设直线上存在一个使得两距离之和最短的点,由于轴对称之后的图形和原来的大小相同。
我们不妨把以“出发点”和“最短点”为两端点的线段翻折,这样就能将“同侧两线段距离之和最短”的问题转变为“异侧两线段距离之和最短”解决。
那么很容易想到,当这两条线段处于同一条直线上,即这个“最短点”位于翻折之后的“出发地的对应点”和“刘邦军营”所连成的线段上时,这两个距离之和才会是最短(见下图)。
对于“将军饮马”问题,体现了古代人对于距离之和等几何问题的研究和关注,求出最短路程的思想,也为现在的交通设计打下了基础,有重要的现实指导意义。
图形的运动;轴对称
1.请用文章中的方法,试着为牧羊人在河流上找到一处饮水点,使得羊群到饮水点的距离与饮水点到帐篷的距离之和最短(见下图)
2.文章中提到“轴对称是平面图形运动中最高级的运动形式”,是因为平移和旋转都能用“二次轴对称”的方法实现。请用身边的学习用品尝试一下,如何实现?