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12. (石室天府)如图,在$\triangle ABC$中,$∠ABC = ∠ACB = 30^{\circ}$,$AB = 2$,$D是BC$边上一动点,以$AD为边在AD的右侧作等边\triangle ADE$。
(1)当$AD与BC所夹的锐角为45^{\circ}$时,求$CD$的长。
(2)当点$D从点C向点B$移动过程中,
①求点$E$的移动路径的长度;
②直接写出线段$BE$长度的最小值。
(3)在射线$AC上另有一动点P$,且$AP = CD$,连接$BP$,取线段$BE的中点F$,当$AD + BP$的值最小时,求出此时线段$AF$的长度。

(1)当$AD与BC所夹的锐角为45^{\circ}$时,求$CD$的长。
(2)当点$D从点C向点B$移动过程中,
①求点$E$的移动路径的长度;
②直接写出线段$BE$长度的最小值。
(3)在射线$AC上另有一动点P$,且$AP = CD$,连接$BP$,取线段$BE的中点F$,当$AD + BP$的值最小时,求出此时线段$AF$的长度。
答案:
解:
(1)如图1,当点$D$在点$G$的右边时,过点$A$作$AG \perp BC$于点$G$。
$\because \angle ABC = \angle ACB = 30^{\circ}$,$AB = 2$,$\therefore AB = AC = 2$,$BG = CG$,$\therefore AG = \frac{1}{2}AB = 1$,$\therefore BG = CG = \sqrt{2^{2}-1^{2}} = \sqrt{3}$,$\therefore BC = 2\sqrt{3}$。
$\because AD$与$BC$所夹的锐角为$45^{\circ}$,$\therefore \angle ADG = \angle GAD = 45^{\circ}$,$\therefore AG = DG = 1$,$\therefore CD = \sqrt{3} - 1$。
当点$D$在点$G$的左边时,如图2所示。
同理可得$CD = \sqrt{3} + 1$。
综上所述,$CD$的长为$\sqrt{3} - 1$或$\sqrt{3} + 1$。
(2)①如图3,以$AB$,$AC$为边分别作等边$\triangle ABI$和等边$\triangle ACH$,连接$IH$,则$\angle HAC = 60^{\circ}$。又$\angle BAC = 180^{\circ} - 2×30^{\circ} = 120^{\circ}$,$\therefore \angle BAC + \angle HAC = 180^{\circ}$,$\therefore B$,$A$,$H$三点共线。
当点$D$,$C$重合时,点$E$,$H$重合;当点$D$,$B$重合时,点$E$,$I$重合,$\therefore$线段$HI$的长度是点$E$的移动路径的长度。$\because \triangle ABI$,$\triangle ACH$是等边三角形,$\therefore AB = BI = AI = 2$,$AC = AH = 2$,$\angle BAI = \angle BIA = 60^{\circ}$,$\therefore AI = AH$,$\therefore \angle IAH = 180^{\circ} - \angle BAI = 120^{\circ}$,$\therefore \angle AIH = \angle AHI = 30^{\circ}$,$\therefore \angle BIH = \angle BIA + \angle AIH = 90^{\circ}$,$\therefore HI = \sqrt{4^{2}-2^{2}} = 2\sqrt{3}$,$\therefore$点$E$的移动路径的长度为$2\sqrt{3}$。
②当$BE \perp HI$时,线段$BE$的长度最小,线段$BE$长度的最小值是$2$。
(3)如图4,过点$A$作$AG \perp BC$于点$G$,以$AC$为边作等边$\triangle ACH$,作$\angle BCM = 120^{\circ}$,$CM = CA$,连接$DM$,$EH$。又$\because AB = AC$,$\angle BAC = 120^{\circ}$,$\therefore CM = AB$,$\angle BAC = \angle DCM = 120^{\circ}$。
又$\because CD = AP$,$\therefore \triangle DCM \cong \triangle PAB(SAS)$,$\therefore DM = PB$,$\therefore AD + BP = AD + DM \geq AM$。
当$A$,$D$,$M$三点共线时,$AD + BP$的值最小,此时$\angle ACM = 120^{\circ} + 30^{\circ} = 150^{\circ}$,$\therefore \angle CAM = \angle CMA = 15^{\circ}$,$\therefore \angle CDM = 180^{\circ} - 120^{\circ} - 15^{\circ} = 45^{\circ} = \angle ADG$。
结合
(1)可得$AG = DG = 1$,$BG = CG = \sqrt{3}$,$\therefore CD = \sqrt{3} - 1$。
延长$FA$至点$Q$,使$AQ = AF$,连接$QE$,$QH$。
易证$\triangle ACD \cong \triangle AHE$,$\therefore EH = CD = \sqrt{3} - 1$。
$\because AB = AH$,$\angle FAB = \angle QAH$,$AF = AQ$,$\therefore \triangle ABF \cong \triangle AHQ(SAS)$,$\therefore BF = HQ$,$\angle ABF = \angle AHQ$,$\therefore QH // BE$,$\therefore \angle FEQ = \angle HQE$。
$\because F$为$BE$的中点,$\therefore BF = EF$,$\therefore EF = HQ$。
又$\because QE = EQ$,$\therefore \triangle FQE \cong \triangle HEQ(SAS)$,
$\therefore QF = HE = \sqrt{3} - 1$,$\therefore AF = \frac{1}{2}QF = \frac{\sqrt{3} - 1}{2}$。
解:
(1)如图1,当点$D$在点$G$的右边时,过点$A$作$AG \perp BC$于点$G$。
$\because \angle ABC = \angle ACB = 30^{\circ}$,$AB = 2$,$\therefore AB = AC = 2$,$BG = CG$,$\therefore AG = \frac{1}{2}AB = 1$,$\therefore BG = CG = \sqrt{2^{2}-1^{2}} = \sqrt{3}$,$\therefore BC = 2\sqrt{3}$。
$\because AD$与$BC$所夹的锐角为$45^{\circ}$,$\therefore \angle ADG = \angle GAD = 45^{\circ}$,$\therefore AG = DG = 1$,$\therefore CD = \sqrt{3} - 1$。
当点$D$在点$G$的左边时,如图2所示。
同理可得$CD = \sqrt{3} + 1$。
综上所述,$CD$的长为$\sqrt{3} - 1$或$\sqrt{3} + 1$。
(2)①如图3,以$AB$,$AC$为边分别作等边$\triangle ABI$和等边$\triangle ACH$,连接$IH$,则$\angle HAC = 60^{\circ}$。又$\angle BAC = 180^{\circ} - 2×30^{\circ} = 120^{\circ}$,$\therefore \angle BAC + \angle HAC = 180^{\circ}$,$\therefore B$,$A$,$H$三点共线。
当点$D$,$C$重合时,点$E$,$H$重合;当点$D$,$B$重合时,点$E$,$I$重合,$\therefore$线段$HI$的长度是点$E$的移动路径的长度。$\because \triangle ABI$,$\triangle ACH$是等边三角形,$\therefore AB = BI = AI = 2$,$AC = AH = 2$,$\angle BAI = \angle BIA = 60^{\circ}$,$\therefore AI = AH$,$\therefore \angle IAH = 180^{\circ} - \angle BAI = 120^{\circ}$,$\therefore \angle AIH = \angle AHI = 30^{\circ}$,$\therefore \angle BIH = \angle BIA + \angle AIH = 90^{\circ}$,$\therefore HI = \sqrt{4^{2}-2^{2}} = 2\sqrt{3}$,$\therefore$点$E$的移动路径的长度为$2\sqrt{3}$。
②当$BE \perp HI$时,线段$BE$的长度最小,线段$BE$长度的最小值是$2$。
(3)如图4,过点$A$作$AG \perp BC$于点$G$,以$AC$为边作等边$\triangle ACH$,作$\angle BCM = 120^{\circ}$,$CM = CA$,连接$DM$,$EH$。又$\because AB = AC$,$\angle BAC = 120^{\circ}$,$\therefore CM = AB$,$\angle BAC = \angle DCM = 120^{\circ}$。
又$\because CD = AP$,$\therefore \triangle DCM \cong \triangle PAB(SAS)$,$\therefore DM = PB$,$\therefore AD + BP = AD + DM \geq AM$。
当$A$,$D$,$M$三点共线时,$AD + BP$的值最小,此时$\angle ACM = 120^{\circ} + 30^{\circ} = 150^{\circ}$,$\therefore \angle CAM = \angle CMA = 15^{\circ}$,$\therefore \angle CDM = 180^{\circ} - 120^{\circ} - 15^{\circ} = 45^{\circ} = \angle ADG$。
结合
(1)可得$AG = DG = 1$,$BG = CG = \sqrt{3}$,$\therefore CD = \sqrt{3} - 1$。
延长$FA$至点$Q$,使$AQ = AF$,连接$QE$,$QH$。
易证$\triangle ACD \cong \triangle AHE$,$\therefore EH = CD = \sqrt{3} - 1$。
$\because AB = AH$,$\angle FAB = \angle QAH$,$AF = AQ$,$\therefore \triangle ABF \cong \triangle AHQ(SAS)$,$\therefore BF = HQ$,$\angle ABF = \angle AHQ$,$\therefore QH // BE$,$\therefore \angle FEQ = \angle HQE$。
$\because F$为$BE$的中点,$\therefore BF = EF$,$\therefore EF = HQ$。
又$\because QE = EQ$,$\therefore \triangle FQE \cong \triangle HEQ(SAS)$,
$\therefore QF = HE = \sqrt{3} - 1$,$\therefore AF = \frac{1}{2}QF = \frac{\sqrt{3} - 1}{2}$。
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