一题多解,开拓视野。多角度领略一道竞赛题的魅力

一题多解,开拓视野。多角度领略一道竞赛题的魅力

首页休闲益智最大值计算竞赛更新时间:2024-08-03

: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.

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°,

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,

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),

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.

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