Question

【題目】綜合與實踐﹣猜想、證明與拓廣

問題情境：

數學課上同學們探究正方形邊上的動點引發的有關問題，如圖1，正方形ABCD中，點E是BC邊上的一點，點D關于直線AE的對稱點為點F，直線DF交AB于點H，直線FB與直線AE交于點G，連接DG，CG．

猜想證明

（1）當圖1中的點E與點B重合時得到圖2，此時點G也與點B重合，點H與點A重合．同學們發現線段GF與GD有確定的數量關系和位置關系，其結論為：　 　；

（2）希望小組的同學發現，圖1中的點E在邊BC上運動時，（1）中結論始終成立，為證明這兩個結論，同學們展開了討論：

小敏：根據軸對稱的性質，很容易得到“GF與GD的數量關系”…

小麗：連接AF，圖中出現新的等腰三角形，如△AFB，…

小凱：不妨設圖中不斷變化的角∠BAF的度數為n，并設法用n表示圖中的一些角，可證明結論．

請你參考同學們的思路，完成證明；

（3）創新小組的同學在圖1中，發現線段CG∥DF，請你說明理由；

聯系拓廣：

（4）如圖3若將題中的“正方形ABCD”變為“菱形ABCD“，∠ABC=α，其余條件不變，請探究∠DFG的度數，并直接寫出結果（用含α的式子表示）．

Answer 1

【答案】(1) GF=GD，GF⊥GD;(2)見解析;(3)見解析;(4) 90°﹣.

【解析】

（1）根據四邊形ABCD是正方形可得∠ABD=∠ADB=45°，∠BAD=90°，點D關于直線AE的對稱點為點F，即可證明出∠DBF=90°，故GF⊥GD，再根據∠F=∠ADB，即可證明GF=GD；

（2）連接AF，證明∠AFG=∠ADG，再根據四邊形ABCD是正方形，得出AB=AD，∠BAD=90°，設∠BAF=n，∠FAD=90°+n，可得出∠FGD=360°﹣∠FAD﹣∠AFG﹣∠ADG=360°﹣（90°+n）﹣（180°﹣n）=90°，故GF⊥GD；

（3）連接BD，由（2）知，FG=DG，FG⊥DG，再分別求出∠GFD與∠DBC的角度，再根據三角函數的性質可證明出△BDF∽△CDG，故∠DGC=∠FDG，則CG∥DF；

（4）連接AF，BD，根據題意可證得∠DAM=90°﹣∠2=90°﹣∠1，∠DAF=2∠DAM=180°﹣2∠1，再根據菱形的性質可得∠ADB=∠ABD=α，故∠AFB+∠DBF+∠ADB+∠DAF=（∠DFG+∠1）+（∠DFG+∠1+α）+α+（180°﹣2∠1）=360°，2∠DFG+2∠1+α﹣2∠1=180°，即可求出∠DFG．

解：（1）GF=GD，GF⊥GD，

理由：∵四邊形ABCD是正方形，

∴∠ABD=∠ADB=45°，∠BAD=90°，

∵點D關于直線AE的對稱點為點F，∠BAD=∠BAF=90°，

∴∠F=∠ADB=45°，∠ABF=∠ABD=45°，

∴∠DBF=90°，

∴GF⊥GD，

∵∠BAD=∠BAF=90°，

∴點F，A，D在同一條線上，

∵∠F=∠ADB，

∴GF=GD，

故答案為：GF=GD，GF⊥GD；

（2）連接AF，∵點D關于直線AE的對稱點為點F，

∴直線AE是線段DF的垂直平分線，

∴AF=AD，GF=GD，

∴∠1=∠2，∠3=∠FDG，

∴∠1+∠3=∠2+∠FDG，

∴∠AFG=∠ADG，

∵四邊形ABCD是正方形，

∴AB=AD，∠BAD=90°，

設∠BAF=n，

∴∠FAD=90°+n，

∵AF=AD=AB，

∴∠FAD=∠ABF，

∴∠AFB+∠ABF=180°﹣n，

∴∠AFB+∠ADG=180°﹣n，

∴∠FGD=360°﹣∠FAD﹣∠AFG﹣∠ADG=360°﹣（90°+n）﹣（180°﹣n）=90°，

∴GF⊥DG，

(3)如圖2，連接BD，由（2）知，FG=DG，FG⊥DG，

∴∠GFD=∠GDF=（180°﹣∠FGD）=45°，

∵四邊形ABCD是正方形，

∴BC=CD，∠BCD=90°，

∴∠BDC=∠DBC=（180°﹣∠BCD）=45°，

∴∠FDG=∠BDC，

∴∠FDG﹣∠BDG=∠BDC﹣∠BDG，

∴∠FDB=∠GDC，

在Rt△BDC中，sin∠DFG==sin45°=，

在Rt△BDC中，sin∠DBC==sin45°=，

∴，

∴，

∴△BDF∽△CDG，

∵∠FDB=∠GDC，

∴∠DGC=∠DFG=45°，

∴∠DGC=∠FDG，

∴CG∥DF；

（4）90°﹣，理由：如圖3，連接AF，BD，

∵點D與點F關于AE對稱，

∴AE是線段DF的垂直平分線，

∴AD=AF，∠1=∠2，∠AMD=90°，∠DAM=∠FAM，

∴∠DAM=90°﹣∠2=90°﹣∠1，

∴∠DAF=2∠DAM=180°﹣2∠1，

∵四邊形ABCD是菱形，

∴AB=AD，

∴∠AFB=∠ABF=∠DFG+∠1，

∵BD是菱形的對角線，

∴∠ADB=∠ABD=α，

在四邊形ADBF中，∠AFB+∠DBF+∠ADB+∠DAF=（∠DFG+∠1）+（∠DFG+∠1+α）+α+（180°﹣2∠1）=360°

∴2∠DFG+2∠1+α﹣2∠1=180°，

∴∠DFG=90°﹣．