在平面直角坐标系中,点O为原点,点A的坐标为(﹣6,0).如图1,正方形OBCD的顶点B在x轴的负半轴上,点C在第二象限.现将正方形OBCD绕点O顺时针旋转角α得到正方形OEFG. (1)如图2,若α=60°,OE=OA,求直线EF的函数表达式. (2)若α为锐角,tanα= ,当AE取得最小值时,求正方形OEFG的面积. (3)当正方形OEFG的顶点F落在y轴上时,直线AE与直线FG相交于点P,△OEP的其中两边之比能否为 :1?若能,求点P的坐标;若不能,试说明理由.
解:(1)如图1,
过点E作EH⊥OA于点H,EF与y轴的交点为M.
∵OE=OA,α=60°,
∴△AEO为正三角形,
∴OH=3,EH==3
.
∴E(﹣3,3).
∵∠AOM=90°,
∴∠EOM=30°.
在Rt△EOM中,
∵cos∠EOM=,
即=
,
∴OM=4.
∴M(0,4).
设直线EF的函数表达式为y=kx+4,
∵该直线过点E(﹣3,3),
∴﹣3k+4=3
,
解得k=,
所以,直线EF的函数表达式为y=x+4
.
(2)如图2,
射线OQ与OA的夹角为α( α为锐角,tanα).
无论正方形边长为多少,绕点O旋转角α后得到正方
形OEFG的顶点E在射线OQ上,
∴当AE⊥OQ时,线段AE的长最小.
在Rt△AOE中,设AE=a,则OE=2a,
∴a2+(2a)2=62,解得a1=,a2=﹣
(舍去),
∴OE=2a=,∴S正方形OEFG=OE2=
.
(3)设正方形边长为m.
当点F落在y轴正半轴时.
如图3,
当P与F重合时,△PEO是等腰直角三角形,有=
或
=
.
在Rt△AOP中,∠APO=45°,OP=OA=6,
∴点P1的坐标为(0,6).
在图3的基础上,
当减小正方形边长时,
点P在边FG 上,△OEP的其中两边之比不可能为:1;
当增加正方形边长时,存在=
(图4)和
=
(图5)两种情况.
如图4,
△EFP是等腰直角三角形,
有=
,
即=
,
此时有AP∥OF.
在Rt△AOE中,∠AOE=45°,
∴OE=OA=6
,
∴PE=OE=12,PA=PE+AE=18,
∴点P2的坐标为(﹣6,18).
如图5,
过P作PR⊥x轴于点R,延长PG交x轴于点H.设PF=n.
在Rt△POG中,PO2=PG2+OG2=m2+(m+n)2=2m2+2mn+n2,
在Rt△PEF中,PE2=PF2+EF2=m2+n2,
当=
时,
∴PO2=2PE2.
∴2m2+2mn+n2=2(m2+n2),得n=2m.
∵EO∥PH,
∴△AOE∽△AHP,
∴=
,
∴AH=4OA=24,
即OH=18,
∴m=9.
在等腰Rt△PRH中,PR=HR=PH=36,
∴OR=RH﹣OH=18,
∴点P3的坐标为(﹣18,36).
当点F落在y轴负半轴时,
如图6,
P与A重合时,在Rt△POG中,OP=OG,
又∵正方形OGFE中,OG=OE,
∴OP=OE.
∴点P4的坐标为(﹣6,0).
在图6的基础上,当正方形边长减小时,△OEP的其中
两边之比不可能为:1;当正方形边长增加时,存在
=
(图7)这一种情况.
如图7,过P作PR⊥x轴于点R,
设PG=n.
在Rt△OPG中,PO2=PG2+OG2=n2+m2,
在Rt△PEF中,PE2=PF2+FE2=(m+n )2+m2=2m2+2mn+n2.
当=
时,
∴PE2=2PO2.
∴2m2+2mn+n2=2n2+2m2,
∴n=2m,
由于NG=OG=m,则PN=NG=m,
∵OE∥PN,∴△AOE∽△ANP,∴ =1,
即AN=OA=6.
在等腰Rt△ONG中,ON=m,
∴12=m,
∴m=6,
在等腰Rt△PRN中,RN=PR=6,
∴点P5的坐标为(﹣18,6).
所以,△OEP的其中两边的比能为:1,点P的坐标是:P1(0,6),P2(﹣6,18),
P3(﹣18,36),P4(﹣6,0),P5(﹣18,6).
正确解答该题的关键在于,根据题意分类讨论,灵活运用勾股定理进行计算.