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原創(chuàng):初中數(shù)學(xué)競賽題引出的一波三折

 中學(xué)解題思維 2021-05-18

如圖,在Rt△ABC中,∠BAC=60°,∠ABC=90°,AC=10,現(xiàn)將Rt△ABC繞點(diǎn)B按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一定的角度得到△DBE使得DE正好經(jīng)過點(diǎn)A,連接CD,求CD長度;

題目并沒有什么難度,其實(shí)有些同學(xué)平時(shí)肯定見過這種題,不過剛好在競賽題中碰到了,就拿出來給同學(xué)們分享一下解析過程;

為什么要分享這道題,看完這道題的時(shí)候,老師有很多想法,所以為了將這些想法一一呈現(xiàn)給同學(xué)們,后面會根據(jù)題目進(jìn)行擴(kuò)展,估計(jì)這一次解題文章字?jǐn)?shù)可能會成為以往幾百篇中最長的一篇;

老師第一時(shí)間想到的有2種方法,我們接下來分別來試試;

解析:

首先由條件可知△ABC三邊長度,AC=10,AB=5,BC=5√3

方法一:過D向BC所在直線做垂線,強(qiáng)制構(gòu)造Rt三角形

如圖,只要知道DF和CF即可搞定CD

那么觀察DF和CF,DF在Rt△DBF中,而CF由BF和BC組成,

所以關(guān)鍵點(diǎn)為求出DF和BF長度

而我們只知道BD=AB=5,外加∠BDE=60°,所以△ABD為等邊

那么∠ABD=60°

所以∠DBF=30°

那么可得DF=5/2,BF=5(√3)/2

則CF=15(√3)/2

在Rt△DFC中,勾股定理解出CD=5√7;

方法二:通過連線使CD成為Rt三角形斜邊

連接CE

如圖,根據(jù)剛才的方法一可知∠ABD=60°,則∠EBC也為60°

所以△BCE為等邊

則∠BEC=60°,且CE=BC=5√3

所以∠DEC=90°

在Rt△DEC中,DE=AC=10,CE=5√3

勾股定理解決CD=5√7;

所以,題目整體不難,關(guān)鍵是題上給出了60°這個有利條件。

那么,如果我們將題目改一下,不給出角度,只給出△ABC的兩條邊,那么是不是還能這么解決呢?

如圖,在Rt△ABC中,∠ABC=90°,AB=30,AC=50,現(xiàn)將Rt△ABC繞點(diǎn)B按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一定的角度得到△DBE使得DE正好經(jīng)過點(diǎn)A,連接CD,求CD長度;

現(xiàn)在沒有60°角了,只有AB=30,AC=50,那么可知BC=40

那么這種情況下,將CD放入Rt三角形中并求出兩條直角邊就沒有剛才那么容易了

首先∠ABD我們都不知道是多少度,可能有同學(xué)能想到利用方法一仍然可以解出來,只不過計(jì)算會多點(diǎn),但是這里我們不采用方法一,仍然用方法二;

雖然我們不知道角的度數(shù),但是我們知道△ABC三邊關(guān)系,三角函數(shù)總可以用吧,

那么我們還連接CE

如圖,那么在這種沒有角度的情況下要得到△DEC是直角三角形,就只能借助角之間的關(guān)系了

首先我們知道△ABD和△CBE都是等腰三角形

而且頂角∠ABD=∠CBE

所以可得∠CEB=∠BDA

因此仍然可得∠CEB+∠BED=90°

所以△CDE還是Rt三角形

但是CE長度現(xiàn)在不是一眼看出的了,需要通過計(jì)算得到

既然△BCE是等腰,那么就過B向CE做垂線吧

三線合一不用多說了吧,同時(shí)△BCF和△DBE相似吧,那么三角函數(shù)值通用,

可計(jì)算得出CF長度24,則CE=48

so,CD長度勾股定理可解;

那么我們總結(jié)一下,剛才是兩種不同的Rt三角形,連接CE后都能將CD放入直角三角形,如果是任意的Rt三角形這樣旋轉(zhuǎn)是不是都可以這樣構(gòu)造呢?

不管△ABC的兩個銳角如何,我們都知道旋轉(zhuǎn)后的△BAD和△CBE都是等腰,而且頂角相等,所以底角也相等,結(jié)合△ABD的底角與∠BED互余,可得△BCE的底角與∠BED也互余,因此△CDE是Rt三角形成立;

這算是我們通過這道題的學(xué)習(xí),得到的意外收獲吧,所以記清楚了以后說不定就直接用上了。

最后再升級一下難度,如果這次不是Rt三角形,而是一個銳角△ABC,已知三邊長度,假如AB=7,AC=11,BC=13,仍然逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)△ABC到△DBE的位置,使DE過A,求CD長度;

這樣一來,這題可就不簡單了,再去連接CE可就沒有Rt三角形了,所以我們只能借助方法一,過D向BC所在直線作垂線

同樣,我們需要搞定DF和BF,但是現(xiàn)在的Rt△DBF可僅知道BD長度為7,三角函數(shù)值一個也不知道,所以借助三角函數(shù)現(xiàn)在行不通了,除非你已經(jīng)學(xué)會了高中的正余弦定理;

那么我們就借助初中的知識來解決它,鑒于計(jì)算比較復(fù)雜,老師就不提供計(jì)算結(jié)果,只說明可以得到哪些線段數(shù)據(jù),

那么,首先我們還是要借助△ABD和△BCE這等腰三角形,起碼咱們可以計(jì)算一下AD和CE長度吧

如圖,老師將三線合一也給大家做出來了

所以我們只要得到DM和CN,即可知道AD和CE長度,要求出它倆,這得借助三角函數(shù)值,根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn),我們知道∠BCE=∠BDA,所以搞定它們的三角函數(shù)值即可,而這兩個角又等于∠ABC,所以我們需要借助已知條件來搞定∠ABC的三角函數(shù)值,那么我們過A向BC作垂線

如圖,我們可以根據(jù)△ABP和△APC都是直角三角形,分別用勾股定理表示AP建立方程,假設(shè)BP=x,則PC=13-x

那么兩個三角形中勾股定理分別表示AP后可解出x的值

有了BP的長度,則AP長度可知,那么∠ABP的正弦值和余弦值都可知,

則DM和CN可得,即AD和CE可得

這里可能有的同學(xué)會問:咱們要CE長度干嘛,好像和DF沒關(guān)系吧?

那么大家可以看一下DF,我們只知道BD長度,要同時(shí)求出DF和BF,還不知道角的三角函數(shù)值,肯定不能直接解決,那么這里就出現(xiàn)了比較難想到的知識點(diǎn),怎么才能求出DF的長度?

勾股定理肯定是不現(xiàn)實(shí)的,所以我們只能從線段比例入手,觀察DF是個垂線,AP也是個垂線,咋這么巧合呢?

要是再來一條垂線,是不是就構(gòu)成三條平行線截取線段比例了?

所以我們過E向BC做垂線

如圖,現(xiàn)在我們需要求出EQ長度,明顯EQ是△BCE的高,所以根據(jù)剛才得到的CN,可得CE長度,同時(shí)還能算出BN,根據(jù)面積法可計(jì)算出EQ長度

那么線段比例呢?

根據(jù)剛才的AD長度,可得AE長度

所以根據(jù)DF//AP//EQ可得

AE:DE=AP:DF

解出DF

則BF可得

那么CF就OK了

Rt△DFC中,勾股定理解決CD即可;

計(jì)算上肯定比較復(fù)雜了,臨時(shí)想到的改編,沒有合適數(shù)據(jù),所以不提供計(jì)算過程,同學(xué)們能掌握方法即可;

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