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​$ \frac {5}{2}$​
解:​$(1) $​∵​$ AG⊥BD,$​垂足为​$ G,$​
∴​$ ∠AGD = 90°。$​
∵​$ $​在​$ Rt△AGD $​中,​$E $​为​$ AD $​的中点,
∴​$ EG = ED=\frac {1}{2}AD。$​
同理​$ HF = BF=\frac {1}{2}BC。$​
∵​$ $​在​$ □ ABCD $​中,​$AD = BC,$​
∴​$ EG = FH。$​
∵​$ $​在​$ △EGD $​中,​$EG = ED,$​
∴​$ ∠EDG = ∠EGD。$​
同理在​$ △BFH $​中,​$∠HBF = ∠FHB。$​
∵​$ $​在​$ □ ABCD $​中,​$AD// BC,$​
∴​$ ∠EDG = ∠HBF。$​
∴​$ ∠EGD = ∠FHB。$​
∴​$ EG// FH。$​
又 ∵​$ EG = FH,$​
∴​$ $​四边形​$ GEHF $​是平行四边形

$\frac{2\sqrt{5}}{5}$
解:(1) ∵ 四边形 ​$ABCD$​ 是正方形,
∴ ​$AB = CD$​,​$AB// CD$​。
∴ ​$AF// CE$​。
又∵ 点 ​$E$​,​$F$​ 分别是 ​$AB$​,​$CD$​ 的中点,
∴ ​$AF = CE$​。
∵ ​$AF// CE$​,​$AF = CE$​,
∴ 四边形 ​$AFCE$​ 是平行四边形。
∴ ​$AE// CF$​
(2) 如图,​$AE$​,​$DG$​ 交于点 ​$H$​,
∵ ​$CF// AE$​,​$DG⊥ CF$​,
∴ ​$DG⊥ AE$​,垂足为 ​$H$​。
∵ ​$E$​ 是 ​$CD$​ 的中点,
∴ ​$EG = ED$​。
∴ ​$△ DGE$​ 是等腰三角形。
∴ ​$H$​ 是 ​$DG$​ 的中点,且 ​$AE⊥ GD$​。
∴ ​$AG = AD$​。
在 ​$△ ADE$​ 和 ​$△ AGE$​ 中,
​$\begin {cases}AD = AG, \\AE = AE, \\ED = EG,\end {cases}$​ 
∴ ​$△ ADE≌△ AGE$​(​$SSS$​)。
∴ ​$∠ AGE=∠ ADE = 90°$​

解:过点​$D$​作​$DH// EF$​,交​$AB$​于点​$H$​,连接​$EP$​。
​$∵$​四边形​$ABCD$​是正方形,且​$AB = 4$​,
​$∴AB = DA = BC = 4$​,​$∠ DAH=∠ B = 90°$​,​$AB// CD$​。
设​$AE = a$​,​$∵EF$​是​$AP$​的垂直平分线,
​$∴PE = AE = a$​,
​$∴BE = AB - AE = 4 - a$​。
​$∵P$​是​$BC$​中点,
​$∴BP=\frac {1}{2}BC = 2$​。
在​$Rt△ BEP$​中,由勾股定理,得​$PE^2=BE^2+BP^2$​,
​$∴a^2=(4 - a)^2+2^2$​,
解得​$a = 2.5$​,
​$∴AE = a = 2.5$​。
​$∵AB// CD$​,​$DH// EF$​,
​$∴$​四边形​$DHEF$​是平行四边形,
​$∴DF = HE$​。
​$∵EF$​是​$AP$​的垂直平分线,
​$∴∠ ADH+∠ PAD = 90°$​。
​$∵∠ BAP+∠ PAD = 90°$​,
​$∴∠ BAP=∠ ADH$​。
在​$△ BAP$​和​$△ ADH$​中,
​$\begin {cases}∠ BAP=∠ ADH,\\AB = DA,\\∠ DAH=∠ B = 90°\end {cases}$​
​$∴△ BAP≌△ ADH(\mathrm {ASA})$​。
​$∴BP = AH = 2$​,
​$∴HE = AE - AH = 2.5 - 2 = 0.5$​,
​$∴DF = HE = 0.5$​。
(2)线段​$AE$​,​$BP$​,​$DF$​之间的数量关系是​$AE = BP + DF$​。
理由如下:
​$∵△ BAP≌△ ADH$​,
​$∴BP = AH$​。
​$∵$​四边形​$DHEF$​是平行四边形,
​$∴HE = DF$​。
​$∵AE = AH + HE$​,
​$∴AE = BP + DF$​。
【分析】
(1) 要证明四边形$GEHF$是平行四边形,可通过“一组对边平行且相等”的判定定理来推导。先利用直角三角形斜边中线的性质,结合平行四边形$ABCD$的对边相等,得到$EG=FH$;再通过角的等量代换证明$EG// FH$,从而完成证明。
(2) 要使平行四边形$GEHF$成为矩形,需满足一个内角为直角(或对角线相等)。结合已知边长,利用直角三角形勾股定理,通过设未知数建立方程,推导$BD$的长度。
【解析】
(1) 证明:
∵ $AG⊥BD$,垂足为$G$,
∴ $∠AGD=90°$。
在$\mathrm{Rt}△AGD$中,$E$为$AD$的中点,
根据直角三角形斜边中线等于斜边一半的性质,得$EG=ED=\frac{1}{2}AD$。
同理,在$\mathrm{Rt}△CHB$中,$F$为$BC$的中点,得$HF=BF=\frac{1}{2}BC$。
∵ 四边形$ABCD$是平行四边形,
∴ $AD=BC$,
∴ $EG=FH$。
∵ $EG=ED$,
∴ $∠EDG=∠EGD$;
同理,$HF=BF$,得$∠HBF=∠FHB$。
∵ 四边形$ABCD$是平行四边形,
∴ $AD// BC$,
∴ $∠EDG=∠HBF$,
∴ $∠EGD=∠FHB$,
∴ $EG// FH$。

∵ $EG=FH$,
∴ 四边形$GEHF$是平行四边形。
(2) 求解:
当$□ GEHF$是矩形时,需满足$EF=GH$(平行四边形为矩形的对角线相等条件)。
∵ $E$,$F$分别为$AD$,$BC$的中点,四边形$ABCD$是平行四边形,
∴ $AE// BF$且$AE=BF$,四边形$ABFE$是平行四边形,故$EF=AB=2$。
设$BG=DH=x$,由$AG⊥BD$,$CH⊥BD$,结合平行四边形性质可得$△ ABG≌△ CDH$(AAS),则$GH=BD-2x$。
在$\mathrm{Rt}△ABG$中,$AG^2=AB^2-BG^2=2^2-x^2$;
在$\mathrm{Rt}△ADG$中,$DG=BD-BG$,$AG^2=AD^2-DG^2=3^2-(BD-x)^2$。
联立得:$4-x^2=9-(BD-x)^2$,展开化简得:$BD^2-2x· BD=5$。

∵ $GH=EF=2$,即$BD-2x=2$,得$2x=BD-2$,代入上式:
$BD^2-(BD-2)· BD=5$,
$BD^2-BD^2+2BD=5$,
解得$BD=\frac{5}{2}$。
【答案】
(1) 证明见上述解析;(2) $\boldsymbol{\frac{5}{2}}$
【知识点】
1. 平行四边形的判定与性质
2. 直角三角形斜边中线性质
3. 矩形的判定
【点评】
本题综合考查平行四边形、矩形的判定与性质,以及直角三角形的核心性质,解题需灵活运用图形性质完成边与角的等量转化,第二问结合勾股定理建立方程求解,对逻辑推理和计算能力有一定要求。
【难度系数】
0.6
【分析】
(1) 要证明$AE// CF$,可先利用正方形对边平行且相等的性质,结合E、F是中点的条件,证明四边形$AFCE$是平行四边形,根据平行四边形对边平行即可得证;
(2) 要证明$∠ AGE=90°$,先由(1)的结论$AE// CF$结合$DG⊥ CF$,推出$DG⊥ AE$,再利用直角三角形斜边中线性质得到$EG=ED$,结合垂直平分线性质得到$AG=AD$,最后通过SSS证明$△ ADE≌△ AGE$,利用全等三角形对应角相等即可证得;
(3) 求$CG$的长度,可先利用勾股定理求出$CF$的长,再通过证明$△ CDG∽△ FCB$,利用相似三角形对应边成比例计算,或用面积法结合勾股定理求解。
【解析】
(1) 证明:
∵ 四边形$ABCD$是正方形,
∴ $AB = CD$,$AB // CD$.
∵ $E$,$F$分别为$CD$,$AB$的中点,
∴ $AF = \frac{1}{2}AB$,$CE = \frac{1}{2}CD$,
∴ $AF = CE$,且$AF // CE$,
∴ 四边形$AFCE$是平行四边形,
∴ $AE // CF$;
(2) 证明:
设$AE$与$DG$交于点$H$,
由(1)知$AE // CF$,又$DG ⊥ CF$,
∴ $DG ⊥ AE$,即$∠ AHD = 90°$.
∵ $E$是$CD$的中点,在$Rt△ DGC$中,根据直角三角形斜边中线等于斜边的一半,得$EG = ED = EC$.
∵ $DG ⊥ AE$,$H$为$DG$中点,
∴ $AE$垂直平分$DG$,
∴ $AG = AD$.
在$△ ADE$和$△ AGE$中,
$\begin{cases}AD = AG, \\AE = AE, \\ED = EG,\end{cases}$
∴ $△ ADE ≌ △ AGE (\mathrm{SSS})$,
∴ $∠ AGE = ∠ ADE = 90°$;
(3) 解:
∵ 正方形的边长为2,
∴ $BC = 2$,$BF = \frac{1}{2}AB = 1$,
在$Rt△ CBF$中,由勾股定理得:
$CF = \sqrt{BC^2 + BF^2} = \sqrt{2^2 + 1^2} = \sqrt{5}$.
∵ $∠ CGD = ∠ B = 90°$,$∠ DCG = ∠ FCB$,
∴ $△ CDG ∽ △ FCB$,
∴ $\frac{CG}{CB} = \frac{CD}{CF}$,
即$\frac{CG}{2} = \frac{2}{\sqrt{5}}$,
解得$CG = \frac{4}{\sqrt{5}} = \frac{2\sqrt{5}}{5}$.
【答案】
(1) 证明见解析;
(2) 证明见解析;
(3) $\boldsymbol{\frac{2\sqrt{5}}{5}}$
【知识点】
正方形的性质、平行四边形的判定与性质、全等三角形的判定与性质
【点评】
本题综合考查正方形、平行四边形、全等三角形及相似三角形的相关知识,解题关键是熟练掌握正方形的边与角的性质,灵活运用平行四边形、全等、相似的判定定理解决问题,第(3)问方法多样,可根据自身知识储备选择合适的解法。
【难度系数】
0.6
【分析】
(1) 要求DF的长,首先利用AP的垂直平分线性质得到PE=AE,设AE为未知数,在Rt△BEP中用勾股定理求出AE的长度;接着通过作辅助线DH//EF,构造平行四边形DHEF,将DF转化为HE;再证明△BAP≌△ADH,得到AH=BP,最后通过AE-AH算出HE,即DF的长。
(2) 要探究AE、BP、DF的数量关系,结合(1)中全等三角形的结论BP=AH,以及平行四边形的性质HE=DF,再根据线段和的关系AE=AH+HE,即可推导出三者的数量关系。
【解析】
(1) 如图,过点 $D$ 作 $DH // EF$,交 $AB$ 于点 $H$,连接 $EP$.
∵ 四边形 $ABCD$ 是正方形,且 $AB = 4$,
∴ $AB = DA = BC = 4$,$ ∠ DAH = ∠ B = 90°$,$AB // CD$.
设 $AE = a$,
∵ $EF$ 是 $AP$ 的垂直平分线,
∴ $PE = AE = a$,
∴ $BE = AB - AE = 4 - a$.
∵ $P$ 是 $BC$ 中点,
∴ $BP = \frac{1}{2}BC = 2$.
在 $ \mathrm{Rt} △ BEP$ 中,由勾股定理得:$PE^{2} = BE^{2} + BP^{2}$,
即 $a^{2} = (4 - a)^{2} + 2^{2}$,
展开化简得:$8a=20$,解得 $a = 2.5$,
∴ $AE = 2.5$.
∵ $AB // CD$,$DH // EF$,
∴ 四边形 $DHEF$ 是平行四边形,
∴ $DF = HE$.
∵ $EF$ 是 $AP$ 的垂直平分线,
∴ $∠AQE=90°$,则 $∠ ADH + ∠ PAD = 90°$.

∵ $∠ BAP + ∠ PAD = 90°$,
∴ $∠ BAP = ∠ ADH$.
在 $ △ BAP$ 和 $ △ ADH$ 中,
$\begin{cases}∠ BAP = ∠ ADH, \\AB = DA, \\∠ DAH = ∠ B = 90°,\end{cases}$
∴ $ △ BAP ≌ △ ADH (\mathrm{ASA})$.
∴ $BP = AH = 2$,
∴ $HE = AE - AH = 2.5 - 2 = 0.5$,
∴ $DF = HE = 0.5$.
(2) 线段 $AE$,$BP$,$DF$ 之间的数量关系是 $\boldsymbol{AE = BP + DF}$,理由如下:
由(1)知 $△ BAP ≌ △ ADH$,
∴ $BP = AH$.

∵ 四边形 $DHEF$ 是平行四边形,
∴ $HE = DF$.
∵ $AE = AH + HE$,
∴ $AE = BP + DF$.
【答案】
(1) $\boldsymbol{DF=0.5}$;
(2) $\boldsymbol{AE = BP + DF}$.
【知识点】
正方形的性质;全等三角形的判定与性质;勾股定理
【点评】
本题考查正方形的综合应用,解题关键是通过构造辅助线转化线段,利用垂直平分线的性质、全等三角形的判定与性质及勾股定理解决问题,着重培养了几何转化思想和逻辑推理能力。
【难度系数】
0.4