优雅纯几何——八省联考压轴
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课上猜出答案,中午睡觉时突然就会了证明,记录一下。
题目大意:平面四边形 $ABCD$ 中 $|AB|=|AC|=|CD|=1,\angle ACD=\frac{\pi}{3},\angle CAB=\frac{\pi}{4}$ ,沿 $AC$ 翻折 $\triangle ACD$ 形成 $\triangle ACP$,求二面角 $A-CP-B$ 余弦最小值。
Key Observation 1:观察到转ACP和ABC是本质相同的
为什么选择转ABC:这是一个直角三角形,而且旋转定点不在交线上,这就意味着我需要刻画的的是点而非线,而且这甚至是个等腰直角三角形,性质非常优秀。
让我们画出示意图:
延长 $PC,BA$ 交于点 $H$。 上面的椭圆是 $B$ 点的轨迹。 $B’$ 是运动中的 $B$ 点, $J$ 是 $B’$ 在原平面的投影。 $JK \perp CP,B’K \perp CP$。 此时二面角等于 $\angle JKB’$。
Key Observation 2: $\triangle JB’H$ 和 $\triangle JB’K$ 是投影关系
这就意味着当 $\angle JKB’$ 最大时, $\angle JHB’$ 也是最大,而 $\angle JHB’$ 最大的时候就是相切。
接下来就是简单的带入计算了,计算得此时 $\cos \angle JKB’= \frac{\sqrt{3}}{3}$。