已知等边三角形 ABC 和等腰三角形 CDE , CD = DE ,∠ CDE =120°。
(1)如图1所示,点 D 在 BC 上,点 E 在 AB 上, P 是 BE 的中点,连接 AD 、 PD ,则线段 AD 与 PD 之间的数量关系为______;
图1
(2)如图2所示,点 D 在△ ABC 内部,点 E 在△ ABC 外部, P 是 BE 的中点,连接 AD 、 PD ,则(1)中的结论是否仍然成立?若成立,请给出证明,若不成立,请说明理由。
图2
第一问属于送分题。因为∠ B =∠ BDE =60°,所以△ BDE 为等边三角形。因为 P 为 BE 的中点,所以 DP ⊥ AB ,又因为 CD = DE = DB ,所以 D 为 BC 的中点。因此 AD ⊥ BC ,故 AD =2 PD 。
下面看第二问。由于第一问是通过证明△ APD 为一个角为30°的直角三角形来证明 AD =2 PD 的,我的第一个想法就是连接 AP ,希望以同样的方式来证明△ APD 是直角三角形,且∠ PAD =30°。但是,仅仅作这条辅助线,不能有效利用 P 为 BE 中点和△ EDC 是顶角为120°的等腰三角形这两个条件。
由于图中有等边三角形,为了有效率利用∠ EDC =120°这个条件,一个自然的想法是再构造一个等边三角形。比如,我们可以延长 CD 至 K ,使得 DK = CD 。由于 DE = DC = DK ,从而△ KED 为等边三角形,且∠ KEC =90°,∠ ECK =30°。这样作辅助线确实把△ ECD 是顶角为120°的等腰三角形这一条件利用起来了,但 P 为 BE 的中点这一条件还是难以被有效利用。
除了延长 CD ,我们对称地还可以延长 ED 至 K ,使得 DK = ED 。这个时候,我们发现 P 为 BE 的中点, D 为 EK 的中点,如果连接 BK ,那就能有效地把 P 为 BE 的中点这个条件也利用起来。这样的辅助线符合我之前讲的一条原则:辅助线应该把题目中分散的条件最大程度地联系起来。
由于 PD 为△ EBK 的中位线,因此 BK =2 PD ,剩下的只需证明 BK = AD 即可。显见,△ CBK 是△ CAD 绕 C 点逆时针旋转60°所得(或者证明△ CBK ≌△ CAD ),因此 BK = AD 。
上面的解法是先考虑利用△ EDC 是顶角为120°的等腰三角形这个条件,那我们能不能先考虑 P 为 BE 的中点这个条件呢?考虑到我们希望证明的结论是 AD =2 PD ,因此可以先延长 DP 至 K ,使得 PK = DP ,这样就把2 PD 给作出来了。此时,连接 KE 、 KB 、 BD ,则四边形 BDEK 为平行四边形,从而有 BK = DE = CD 。
假如△ APD 仍然是和第一问一样是∠ PAD =30°的直角三角形,那么△ AKD 应该是等边三角形。为了证明△ AKD 为等边三角形,我们只需要证明 AK = AD 且∠ KAD =60°即可。由于 AB = AC , BK = CD ,如果 AK = AD ,则△ ABK ≌△ ACD 。为此,只需证明∠ ABK =∠ ACD 。注意到 AC 和 AB 的夹角为60°( AC 绕 A 点顺时针旋转60°后与 AB 重合), CD 和 ED 的夹角为60°( CD 绕 D 点顺时针旋转60°后与 ED 重合),而 KB // ED ,从而∠ ABK =∠ ACD ,所以△ ABK ≌△ ACD 。因此,可以把△ ABK 看成将△ ACD 绕 A 点顺时针旋转60°所得(实际上,我先观察出了这一事实,然后才给出前面基于旋转的∠ ABK =∠ ACD 的证明方法)。这就证明了△ AKD 为等边三角形,从而 AD =2 PD 。
一道几何问题里面会有不少的条件,我们需要去思考如何把这些条件有效利用起来。某些条件可能比较容易利用,这时可以先尝试着用起来,然后看看其他条件是否能一并用上,如果不能,那可以转换角度和次序再试试。解题就是一个不断尝试和调整的过程。此外,有些平面几何题会包含几个问题,前后的问题之间会有关联。此时,可以循着第一问的方向去思考后面问题的解答,往往前面问题的解答对解答后面问题有一定的启示。