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一題多解系列02——旋轉(zhuǎn)的45°角

 昵稱32937624 2019-06-11

:如圖1,正方形ABCD中,E、F分別是BC、CD上的點,∠EAF=45°,求EF/AB的最小值.

一題多解系列02——旋轉(zhuǎn)的45°角

此題難度一般,本人在《經(jīng)典再現(xiàn)22》一文中拋出了一塊磚(如下解法一),收到了多塊玉,許多網(wǎng)友紛紛評論,給出了更為巧妙簡便的解法,現(xiàn)整理為如下的解法二、三、四。或許還有其他解法,歡迎各位高手不吝賜教。

解法一:如圖2,連接AC.則∠BAC=∠DAC=45°,

一題多解系列02——旋轉(zhuǎn)的45°角

所以∠BAE+∠EAC=45°,因為∠EAF=45°,

所以∠EAC+∠CAF=45°,

所以∠BAE=∠CAF.

同理,∠DAF=∠CAE.

作EG⊥AC于G,F(xiàn)H⊥AC于H,則

∠AGE=∠AHF=∠B=∠D=90°,

所以△ABE∽△AHF,△ADF∽△AGE,

所以BE/HF=AE/AF,DF/GE=AF/AE,

兩式相乘,得

BE/HF·DF/GE= AE/AF·AF/AE=1,

所以BE·DF=GE·HF,

因為△GCE和△HCF都是等腰直角三角形,

所以GE=CE/√2,HF=CF/√2,

所以BE·DF=CE·CF/2.

設正方形ABCD的邊長為1,CE=x,CF=y,則

BE=1-x,DF=1-y,

所以(1-x)(1-y)=xy/2,

整理,得xy=2(x+y)-2,

所以EF=√(x^2+y^2)

=√[(x+y)^2-2xy]

=√[(x+y)^2-4(x+y)+4]

=√[(x+y)-2]^2

=|x+y-2|,

顯然,x+y<2,

所以EF=2-(x+y).

設x+y=s,則EF=2-s,y=s-x,

因為xy=2(x+y)-2,

所以xy=2s-2,

所以x(s-x)=2s-2,

整理,得x^2-sx+2s-2=0,

因為x為實數(shù),

所以△=s^2-4(2s-2)≥0,

即s^2-8s+8≥0,

解得s≥4+2√2或s≤4-2√2,

所以s最大值為4-2√2,

所以EF最小值=2-(4-2√2)=2√2-√2.

所以EF/AB的最小值為2√2-2.

解法二:如圖3,因為四邊形ABCD為正方形,

一題多解系列02——旋轉(zhuǎn)的45°角

所以AB=AD,∠DAB=90°,

所以將△ADF繞點A順時針旋轉(zhuǎn)90°,得△ABG,則

AG=AF,BG=DF,∠BAG=DAF,∠ABG=∠D=90°,

所以G、B、E三點共線,

所以EG=BG+BE=DF+BE。

在△AGE 與△AEF中,

因為∠EAF=45°,

所以∠BAE+∠DAF=45°,

所以∠GAE=45°=∠EAF,

又AE=AE,

所以△AGE≌△AEF,

所以EF=EG,

設正方形ABCD的邊長為1,BE=a,DF=b,則

EF=a+b,CE=1-a,CF=1-b,

在Rt△CEF中,由勾股定理,得

(1-a)^2+(1-b)^2=(a+b)^2,

整理,ab+a+b-1=0,

設a+b=s,則a=s-b,代入上式,得

(s-b)b+s-b+b-1=0,

整理,得b^2-sb+1-s=0,

因為b為實數(shù),

所以△=s^2-4(1-s)≥0,

即s^2+4s-4≥0,

解得s≥-2+2√2,或s≤-2-2√2(舍去),

所以s最小值為2√2-2,

即EF的最小值為2√2-2.

所以EF/AB的最小值為2√2-2.

解法三:如圖1,設正方形ABCD的邊長為1,BE=a,DF=b,則CE=1-a,CF=1-b,

在△EAF和△CEF中,分別由余弦定理和勾股定理,得

AE^2+AF^2-2AE·AF·cos∠EAF= EF^2=CE^2+CF^2

即1+a^2+1+b^2-2√(1+a^2)· √(1+b^2)cos45°=(1-a)^2+(1-b)2,

整理,得2(a+b)= √2·√(1+a^2)· √(1+b^2),

兩邊平方,整理,得a^2+b^2+4ab=1+ a^2b^2

再整理,得a^2+b^2+2ab=1-2ab+ a^2b^2

即(a+b)^2=(1-ab)2,

因為a+b>0,ab<1,

所以a+b=1-ab,

設a+b=s,則仿照解法二,得s最小值為2√2-2。

又EF^2=(1-a)^2+(1-b)2

=2-2(a+b)+a^2+b^2

=2-2(1-ab)+ a^2+b^2

=2ab+a^2+b^2

=(a+b)^2,

所以EF=a+b,

所以EF最小值為2√2-2,

所以EF/AB最小值為2√2-2。

解法四:設正方形ABCD的邊長為1,BE=a,DF=b,∠BAE=α,則∠DAF=45°-α,tanα=a,tan(45°-α)=b,

又tan(45°-α)=(tan45°+tanα)/(1+tan45°·tanα)

=(1-a)/(1+a),

所以(1-a)/(1+a)=b,

在Rt△CEF中,

CE=1-a,CF=1-b=1-(1-a)/(1+a)=2a/(1+a),

所以EF=√(CE^2+CF^2)

=√[(1-a)^2+4a^2/(1+a)^2]

=√[(1-a)^2(1+a)^2+4a^2]/(1+a)

=√(1+2a^2+a^4)/(1+a)

=√(1+a^2)^2/(1+a)

=(1+a^2)/(1+a),

設EF=s,則s=(1+a^2)/(1+a),

去分母,得s+sa=1+a^2

整理為關(guān)于a的一元二次方程,得

a^2-sa+1-s=0,

因為a為實數(shù),

所以△=s^2-4(1-s)≥0,

即s^2+4s-4≥0,

解得s≥-2+2√2,或s≤-2-2√2(舍去),

所以s最小值為2√2-2,

即EF的最小值為2√2-2.

所以EF/AB的最小值為2√2-2.

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