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.
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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