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        平面圖形的直觀圖中線段的變化規(guī)律探討

        2008-11-24 08:30:54李鳳華孔憲榮

        李鳳華 孔憲榮

        《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)(數(shù)學(xué))》必修2中,對(duì)水平放置的平面多邊形的直觀圖的畫(huà)法,采用了斜二測(cè)畫(huà)法.在畫(huà)圖規(guī)則中,規(guī)定了平行于軸的線段的平行性不變;平行于x軸的線段的長(zhǎng)度不變,平行于y軸的線段的長(zhǎng)度縮為原來(lái)的一半.而對(duì)于不平行于軸的平行線段是否仍平行,不平行于軸的線段的長(zhǎng)度是否改變呢?本文借助平面向量對(duì)此類(lèi)問(wèn)題加以探討.

        問(wèn)題1 已知線段AB和CD,在直觀圖中分別對(duì)應(yīng)線段A′B′和C′D′.若AB∥CD,則A′B′∥C′D′嗎?

        解 設(shè)i,j,i′,j′分別是x軸,y軸,x′軸,y′軸的正方向的單位向量,則可設(shè)AB=xi+yj,由CD∥AB,得:CD=mAB=mxi+myj,據(jù)斜二測(cè)畫(huà)圖規(guī)則,得

        A′B′=xi′+12yj′,C′D′=mx

        i′+12myj′

        =mA′B′,

        所以C′D′∥A′B′.

        故A′B′∥C′D′.

        問(wèn)題2 已知線段AB和CD,在直觀圖中分別對(duì)應(yīng)線段A′B′和C′D′,若|AB|=|CD|且AB∥CD,則|A′B′|=|C′D′|嗎?

        解 若|AB|=|CD|且AB∥CD,則CD=AB,由問(wèn)題1求解過(guò)程(相當(dāng)于m=1時(shí)的情況)知,C′D′=A′B′,

        所以|A′B′|=|C′D′|.

        問(wèn)題3 探究不平行于軸的線段AB的長(zhǎng)度與其直觀圖A′B′的長(zhǎng)度之間的大小關(guān)系.

        解 由問(wèn)題2的結(jié)果知,相等的平行線段在直觀圖中仍相等,因此可把線段AB平移到OP,且使OP方向向上.可設(shè)OP=xi+yj(其中y>0),則O′P′=xi′+12yj′.

        于是有

        |OP|=|O′P′|趚2+y2=x2+14y2+22xy趛=223x;

        |OP|>|O′P′|趚2+y2>x2+14y2+22xy趛>223x;

        |OP|<|O′P′|趚2+y2

        所以,當(dāng)OP即點(diǎn)P在射線y=223x(x>0)上時(shí),

        |OP|=|O′P′|;當(dāng)

        OP在射線y=0(x>0)與y=223x(x>0)之間時(shí),

        |OP|<|O′P′|;當(dāng)OP在射線y=0(x<0)與y

        =223x(x>0)之間時(shí),|OP|>|O′P′|.

        由于OP方向向上,它的位置可通過(guò)其所在直線的傾斜角體現(xiàn);又因?yàn)锳B∥OP且|AB|=|OP|,所以,直線AB和直線OP的傾斜角相等,記為θ,則當(dāng)θ∈(0,arctan223)時(shí),線段AB的長(zhǎng)度在直觀圖中變長(zhǎng);當(dāng)θ=arctan223時(shí),線段AB的長(zhǎng)度在直觀圖中不變;當(dāng)θ∈(arctan

        223,π)且θ≠π2時(shí),線段AB的長(zhǎng)度在直觀圖中變短.

        問(wèn)題4 在問(wèn)題3中,記|A′B′|2=m|AB|2,則(1)m的變化范圍是什么?(2)它與直線AB的傾斜角θ有何關(guān)系?

        解 (1)在OP=xi+yj中,y=xtanθ,則由問(wèn)題3的求解過(guò)程知

        |AB|2=x2+y2=(1+tan2θ)x2,

        |A′B′|2=(x2+y24+22xy)=14(tan2θ+22tanθ+4)x2,

        所以m=tan2θ+22tanθ+44(tan2θ+1).

        令t=tanθ,s=4m,則s=t2+22t+4t2+1(其中t∈R),于是有

        (s-1)t2-22t+(s-4)=0.

        當(dāng)s≠1時(shí),(-22)2-4(s-1)(s-4)≥0,即s2-5s+2≤0,解得

        5-172≤s≤5+172;

        當(dāng)s=1時(shí),t=-324也符合.

        所以,m=14s∈[5-178,5+178].

        故所求m的范圍是[5-178,5+178].

        (2)s′=-22t2-6t+22(t2+1)2,令s′=0,得t1=-3-1722,t2=-3+1722,所以

        s′=-22(t--3-1722)(t--3+1722)(t2+1)2.

        當(dāng)t∈(-∞,-3+1722)時(shí),s′<0,s是關(guān)于t的減函數(shù);當(dāng)t∈(-3+1722,-3-1722)時(shí),s′>0,s是關(guān)于t的增函數(shù);當(dāng)t∈(-3-1722,+∞)時(shí),s′<0,s是關(guān)于t的減函數(shù).

        故當(dāng)t=-3+1722,即θ=π+arctan(-3+1722)時(shí),smin=5-172,mmin=5-178;

        當(dāng)t=-3-1722,即θ=arctan(-3-1722)時(shí),smax=5+172,mmax=5+178.

        綜上可知,平行線段在直觀圖中仍平行;平行且相等的線段的直觀圖仍為平行且相等的線段;不平行的等長(zhǎng)線段在直觀圖中不一定相等;不平行于軸的線段長(zhǎng)度與其在直觀圖中線段長(zhǎng)度的大小關(guān)系取決于線段所在直線的傾斜角,但它并非無(wú)限制的變長(zhǎng)或變短,其變化率為

        [10-2174,10+2174].

        注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文

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