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原创:初中数学竞赛题引出的一波三折

如图,在Rt△ABC中,∠BAC=60°,∠ABC=90°,AC=10,现将Rt△ABC绕点B按逆时针方向旋转一定的角度得到△DBE使得DE正好经过点A,连接CD,求CD长度;

题目并没有什么难度,其实有些同学平时肯定见过这种题,不过刚好在竞赛题中碰到了,就拿出来给同学们分享一下解析过程;

为什么要分享这道题,看完这道题的时候,老师有很多想法,所以为了将这些想法一一呈现给同学们,后面会根据题目进行扩展,估计这一次解题文章字数可能会成为以往几百篇中最长的一篇;

老师第一时间想到的有2种方法,我们接下来分别来试试;

解析:

首先由条件可知△ABC三边长度,AC=10,AB=5,BC=5√3

方法一:过D向BC所在直线做垂线,强制构造Rt三角形

如图,只要知道DF和CF即可搞定CD

那么观察DF和CF,DF在Rt△DBF中,而CF由BF和BC组成,

所以关键点为求出DF和BF长度

而我们只知道BD=AB=5,外加∠BDE=60°,所以△ABD为等边

那么∠ABD=60°

所以∠DBF=30°

那么可得DF=5/2,BF=5(√3)/2

则CF=15(√3)/2

在Rt△DFC中,勾股定理解出CD=5√7;

方法二:通过连线使CD成为Rt三角形斜边

连接CE

如图,根据刚才的方法一可知∠ABD=60°,则∠EBC也为60°

所以△BCE为等边

则∠BEC=60°,且CE=BC=5√3

所以∠DEC=90°

在Rt△DEC中,DE=AC=10,CE=5√3

勾股定理解决CD=5√7;

所以,题目整体不难,关键是题上给出了60°这个有利条件。

那么,如果我们将题目改一下,不给出角度,只给出△ABC的两条边,那么是不是还能这么解决呢?

如图,在Rt△ABC中,∠ABC=90°,AB=30,AC=50,现将Rt△ABC绕点B按逆时针方向旋转一定的角度得到△DBE使得DE正好经过点A,连接CD,求CD长度;

现在没有60°角了,只有AB=30,AC=50,那么可知BC=40

那么这种情况下,将CD放入Rt三角形中并求出两条直角边就没有刚才那么容易了

首先∠ABD我们都不知道是多少度,可能有同学能想到利用方法一仍然可以解出来,只不过计算会多点,但是这里我们不采用方法一,仍然用方法二;

虽然我们不知道角的度数,但是我们知道△ABC三边关系,三角函数总可以用吧,

那么我们还连接CE

如图,那么在这种没有角度的情况下要得到△DEC是直角三角形,就只能借助角之间的关系了

首先我们知道△ABD和△CBE都是等腰三角形

而且顶角∠ABD=∠CBE

所以可得∠CEB=∠BDA

因此仍然可得∠CEB+∠BED=90°

所以△CDE还是Rt三角形

但是CE长度现在不是一眼看出的了,需要通过计算得到

既然△BCE是等腰,那么就过B向CE做垂线吧

三线合一不用多说了吧,同时△BCF和△DBE相似吧,那么三角函数值通用,

可计算得出CF长度24,则CE=48

so,CD长度勾股定理可解;

那么我们总结一下,刚才是两种不同的Rt三角形,连接CE后都能将CD放入直角三角形,如果是任意的Rt三角形这样旋转是不是都可以这样构造呢?

不管△ABC的两个锐角如何,我们都知道旋转后的△BAD和△CBE都是等腰,而且顶角相等,所以底角也相等,结合△ABD的底角与∠BED互余,可得△BCE的底角与∠BED也互余,因此△CDE是Rt三角形成立;

这算是我们通过这道题的学习,得到的意外收获吧,所以记清楚了以后说不定就直接用上了。

最后再升级一下难度,如果这次不是Rt三角形,而是一个锐角△ABC,已知三边长度,假如AB=7,AC=11,BC=13,仍然逆时针旋转△ABC到△DBE的位置,使DE过A,求CD长度;

这样一来,这题可就不简单了,再去连接CE可就没有Rt三角形了,所以我们只能借助方法一,过D向BC所在直线作垂线

同样,我们需要搞定DF和BF,但是现在的Rt△DBF可仅知道BD长度为7,三角函数值一个也不知道,所以借助三角函数现在行不通了,除非你已经学会了高中的正余弦定理;

那么我们就借助初中的知识来解决它,鉴于计算比较复杂,老师就不提供计算结果,只说明可以得到哪些线段数据,

那么,首先我们还是要借助△ABD和△BCE这等腰三角形,起码咱们可以计算一下AD和CE长度吧

如图,老师将三线合一也给大家做出来了

所以我们只要得到DM和CN,即可知道AD和CE长度,要求出它俩,这得借助三角函数值,根据前面的经验,我们知道∠BCE=∠BDA,所以搞定它们的三角函数值即可,而这两个角又等于∠ABC,所以我们需要借助已知条件来搞定∠ABC的三角函数值,那么我们过A向BC作垂线

如图,我们可以根据△ABP和△APC都是直角三角形,分别用勾股定理表示AP建立方程,假设BP=x,则PC=13-x

那么两个三角形中勾股定理分别表示AP后可解出x的值

有了BP的长度,则AP长度可知,那么∠ABP的正弦值和余弦值都可知,

则DM和CN可得,即AD和CE可得

这里可能有的同学会问:咱们要CE长度干嘛,好像和DF没关系吧?

那么大家可以看一下DF,我们只知道BD长度,要同时求出DF和BF,还不知道角的三角函数值,肯定不能直接解决,那么这里就出现了比较难想到的知识点,怎么才能求出DF的长度?

勾股定理肯定是不现实的,所以我们只能从线段比例入手,观察DF是个垂线,AP也是个垂线,咋这么巧合呢?

要是再来一条垂线,是不是就构成三条平行线截取线段比例了?

所以我们过E向BC做垂线

如图,现在我们需要求出EQ长度,明显EQ是△BCE的高,所以根据刚才得到的CN,可得CE长度,同时还能算出BN,根据面积法可计算出EQ长度

那么线段比例呢?

根据刚才的AD长度,可得AE长度

所以根据DF//AP//EQ可得

AE:DE=AP:DF

解出DF

则BF可得

那么CF就OK了

Rt△DFC中,勾股定理解决CD即可;

计算上肯定比较复杂了,临时想到的改编,没有合适数据,所以不提供计算过程,同学们能掌握方法即可;

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