题:如图1,正方形ABCD中,E、F分别是BC、CD上的点 , ∠EAF=45°,求EF/AB的最小值.
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此题难度一般,本人在《经典再现22》一文中抛出了一块砖(如下解法一),引来了多块玉,许多网友纷纷评论,给出了更为巧妙简便的解法,现整理为如下的解法二、三、四 。或许还有其他解法,欢迎各位高手不吝赐教 。
解法一:如图2 , 连接AC.则∠BAC=∠DAC=45°,
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所以∠BAE+∠EAC=45°,
因为∠EAF=45°,
所以∠EAC+∠CAF=45°,
所以∠BAE=∠CAF.
同理,∠DAF=∠CAE.
作EG⊥AC于G , FH⊥AC于H,则
∠AGE=∠AHF=∠B=∠D=90°,
所以△ABE∽△AHF,△ADF∽△AGE,
所以BE/HF=AE/AF,DF/GE=AF/AE,
两式相乘 , 得
BE/HF?DF/GE= AE/AF?AF/AE=1,
所以BE?DF=GE?HF ,
因为△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.
设正方形ABCD的边长为1,CE=x,CF=y,则
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| ,
显然,x+y<2,
所以EF=2-(x+y).
设x+y=s,则EF=2-s,y=s-x ,
因为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,
因为x为实数 ,
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最大值为4-2√2,
所以EF最小值=2-(4-2√2)=2√2-√2.
所以EF/AB的最小值为2√2-2.
解法二:如图3,因为四边形ABCD为正方形,
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所以AB=AD,∠DAB=90°,
所以将△ADF绕点A顺时针旋转90°,得△ABG,则
AG=AF,BG=DF,∠BAG=DAF,∠ABG=∠D=90°,
所以G、B、E三点共线,
所以EG=BG+BE=DF+BE 。
在△AGE 与△AEF中,
因为∠EAF=45°,
所以∠BAE+∠DAF=45°,
所以∠GAE=45°=∠EAF,
又AE=AE,
所以△AGE≌△AEF,
所以EF=EG,
设正方形ABCD的边长为1,BE=a,DF=b,则
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,
设a+b=s , 则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,
因为b为实数,
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),
【一题多解经典几何题目 一题多解系列02旋转的45角是多少】 所以s最小值为2√2-2 ,
即EF的最小值为2√2-2.
所以EF/AB的最小值为2√2-2.
解法三:如图1,设正方形ABCD的边长为1,BE=a,DF=b , 则CE=1-a,CF=1-b,
在△EAF和△CEF中,分别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) ,
两边平方,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,
因为a+b>0,ab<1,
所以a+b=1-ab,
设a+b=s , 则仿照解法二,得
s最小值为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最小值为2√2-2,
所以EF/AB最小值为2√2-2 。
解法四:设正方形ABCD的边长为1,BE=a,DF=b,∠BAE=α,则
∠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),
设EF=s,则s=(1+a^2)/(1+a),
去分母,得s+sa=1+a^2,
整理为关于a的一元二次方程 , 得
a^2-sa+1-s=0,
因为a为实数,
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最小值为2√2-2,
即EF的最小值为2√2-2.
所以EF/AB的最小值为2√2-2.