1. 为了进一步探究三角形中线的作用,数学兴趣小组合作交流时,小丽在组内做了如下尝试:如图①,在$△ ABC$中,AD是BC边上的中线,延长AD到点M,使$DM=AD$,连接BM.
【探究发现】(1)图①中AC与BM的数量关系是
【初步应用】(2)如图②,在$△ ABC$中,若$AB=12,AC=8$,求BC边上的中线AD的取值范围;
【探究提升】(3)如图③,AD是$△ ABC$的中线,过点A分别向外作$AE⊥AB,AF⊥AC$,使得$AE=AB,AF=AC$,延长DA交EF于点P,判断线段EF与AD的数量关系和位置关系,并说明理由;
(4)如图④,在$△ ABC$中,D为BC的中点,$DE⊥DF$分别交AB,AC于点E,F.求证:$BE+CF>EF$.

【探究发现】(1)图①中AC与BM的数量关系是
AC=BM
,位置关系是AC//BM
;【初步应用】(2)如图②,在$△ ABC$中,若$AB=12,AC=8$,求BC边上的中线AD的取值范围;
【探究提升】(3)如图③,AD是$△ ABC$的中线,过点A分别向外作$AE⊥AB,AF⊥AC$,使得$AE=AB,AF=AC$,延长DA交EF于点P,判断线段EF与AD的数量关系和位置关系,并说明理由;
(4)如图④,在$△ ABC$中,D为BC的中点,$DE⊥DF$分别交AB,AC于点E,F.求证:$BE+CF>EF$.
答案:1.(1)AC=BM AC//BM
(2)解:如答图①,延长 AD 到点 M,使 DM=AD,连接 BM.
∵AD 是△ABC 的中线,
∴BD=CD.
在△ADC 和△MDB 中,$\begin{cases} CD=BD, \\ ∠CDA=∠BDM, \\ AD=MD, \end{cases}$
∴△ADC≌△MDB(SAS),
∴BM=AC=8.
在△ABM 中,AB−BM<AM<AB+BM,
∴12−8<AM<12+8,即 4<2AD<20,
∴2<AD<10,
即 BC 边上的中线 AD 的取值范围为 2<AD<10.
[第1题答图]
(3)解:EF=2AD,EF⊥AD,理由如下:
如答图②,延长 AD 到点M,使得 DM=AD,连接 BM.
由(2)可知,△BDM≌△CDA(SAS),
∴BM=AC.
∵AC=AF,
∴BM=AF. 由(1)可知,AC//BM,
∴∠BAC+∠ABM=180°.
∵AE⊥AB,AF⊥AC,
∴∠BAE=∠FAC=90°,
∴∠BAC+∠EAF=180°,
∴∠ABM=∠EAF. 在△ABM 和△EAF 中,
$\begin{cases} AB=EA, \\ ∠ABM=∠EAF, \\ BM=AF, \end{cases}$
∴△ABM≌△EAF(SAS),
∴AM=EF,∠BAM=∠E.
∵AD=DM,
∴AM=2AD,
∴EF=2AD.
∵∠EAM=∠BAM+∠BAE=∠E+∠APE,
∴∠APE=∠BAE=90°,
∴EF⊥AD.
(4)证明:如答图③,延长 ED 到点 G,使 GD=ED,连接 CG,GF.
∵D 是 BC 边上的中点,
∴CD=BD.
在△CDG 和△BDE 中,
$\begin{cases} GD=ED, \\ ∠CDG=∠BDE, \\ CD=BD, \end{cases}$
∴△CDG≌△BDE(SAS),
∴CG=BE.
∵CG+CF>GF,
∴BE+CF>GF.
∵DE⊥DF,GD=ED,
∴DF 垂直平分 EG,
∴GF=EF,
∴BE+CF>EF.
(2)解:如答图①,延长 AD 到点 M,使 DM=AD,连接 BM.
∵AD 是△ABC 的中线,
∴BD=CD.
在△ADC 和△MDB 中,$\begin{cases} CD=BD, \\ ∠CDA=∠BDM, \\ AD=MD, \end{cases}$
∴△ADC≌△MDB(SAS),
∴BM=AC=8.
在△ABM 中,AB−BM<AM<AB+BM,
∴12−8<AM<12+8,即 4<2AD<20,
∴2<AD<10,
即 BC 边上的中线 AD 的取值范围为 2<AD<10.
[第1题答图]
(3)解:EF=2AD,EF⊥AD,理由如下:
如答图②,延长 AD 到点M,使得 DM=AD,连接 BM.
由(2)可知,△BDM≌△CDA(SAS),
∴BM=AC.
∵AC=AF,
∴BM=AF. 由(1)可知,AC//BM,
∴∠BAC+∠ABM=180°.
∵AE⊥AB,AF⊥AC,
∴∠BAE=∠FAC=90°,
∴∠BAC+∠EAF=180°,
∴∠ABM=∠EAF. 在△ABM 和△EAF 中,
$\begin{cases} AB=EA, \\ ∠ABM=∠EAF, \\ BM=AF, \end{cases}$
∴△ABM≌△EAF(SAS),
∴AM=EF,∠BAM=∠E.
∵AD=DM,
∴AM=2AD,
∴EF=2AD.
∵∠EAM=∠BAM+∠BAE=∠E+∠APE,
∴∠APE=∠BAE=90°,
∴EF⊥AD.
(4)证明:如答图③,延长 ED 到点 G,使 GD=ED,连接 CG,GF.
∵D 是 BC 边上的中点,
∴CD=BD.
在△CDG 和△BDE 中,
$\begin{cases} GD=ED, \\ ∠CDG=∠BDE, \\ CD=BD, \end{cases}$
∴△CDG≌△BDE(SAS),
∴CG=BE.
∵CG+CF>GF,
∴BE+CF>GF.
∵DE⊥DF,GD=ED,
∴DF 垂直平分 EG,
∴GF=EF,
∴BE+CF>EF.
解析:
【分析】
本题围绕中线倍长法展开考查:
(1) 已知AD是BC边上的中线,可得BD=CD,结合对顶角相等、DM=AD,可证△ADC≌△MDB,利用全等性质即可得到AC和BM的数量、位置关系;
(2) 直接在原三角形中无法求AD的取值范围,因此使用倍长中线法构造全等,将AC转化为BM,把AB、BM、2AD集中在同一个△ABM中,利用三角形三边关系即可求解;
(3) 仍采用倍长中线法构造全等,先将AC转化为BM,结合已知条件推出BM=AF,再推导角相等证明△ABM≌△EAF,即可得到EF与AD的数量关系,最后通过角的等量代换证明垂直关系;
(4) D是BC中点,属于类中线结构,延长ED到G使DG=DE,构造全等将BE转化为CG,结合DE⊥DF可得DF是EG的垂直平分线,故EF=GF,最后在△CFG中利用三边关系即可证明不等式。
【解析】
(1) 在$△ ADC$和$△ MDB$中:
$\begin{cases} CD=BD \\ ∠ CDA=∠ BDM \\ AD=MD \end{cases}$
$\therefore △ ADC≌△ MDB(\mathrm{SAS})$
$\therefore AC=BM$,$∠ C=∠ DBM$,$\therefore AC// BM$。
(2) 延长AD到点M,使$DM=AD$,连接BM。
∵AD是$△ ABC$的中线,$\therefore BD=CD$。
在$△ ADC$和$△ MDB$中:
$\begin{cases} CD=BD \\ ∠ CDA=∠ BDM \\ AD=MD \end{cases}$
$\therefore △ ADC≌△ MDB(\mathrm{SAS})$,$\therefore BM=AC=8$。
在$△ ABM$中,由三角形三边关系得:$AB-BM<AM<AB+BM$,
代入$AB=12$、$BM=8$、$AM=2AD$得:$12-8<2AD<12+8$,
化简得$2<AD<10$。
(3) $EF=2AD$,$EF⊥ AD$,理由如下:
延长AD到点M,使得$DM=AD$,连接BM。
由(2)可知$△ BDM≌△ CDA(\mathrm{SAS})$,$\therefore BM=AC$,
∵$AC=AF$,$\therefore BM=AF$。
由(1)可知$AC// BM$,$\therefore ∠ BAC+∠ ABM=180°$。
∵$AE⊥ AB$,$AF⊥ AC$,$\therefore ∠ BAE=∠ FAC=90°$,
$\therefore ∠ BAC+∠ EAF=180°$,$\therefore ∠ ABM=∠ EAF$。
在$△ ABM$和$△ EAF$中:
$\begin{cases} AB=EA \\ ∠ ABM=∠ EAF \\ BM=AF \end{cases}$
$\therefore △ ABM≌△ EAF(\mathrm{SAS})$,$\therefore AM=EF$,$∠ BAM=∠ E$。
∵$AD=DM$,$\therefore AM=2AD$,$\therefore EF=2AD$。
∵$∠ EAM=∠ BAM+∠ BAE=∠ E+∠ APE$,
$\therefore ∠ APE=∠ BAE=90°$,$\therefore EF⊥ AD$。
(4) 证明:延长ED到点G,使$GD=ED$,连接CG、GF。
∵D是BC边上的中点,$\therefore CD=BD$。
在$△ CDG$和$△ BDE$中:
$\begin{cases} GD=ED \\ ∠ CDG=∠ BDE \\ CD=BD \end{cases}$
$\therefore △ CDG≌△ BDE(\mathrm{SAS})$,$\therefore CG=BE$。
在$△ CFG$中,由三角形三边关系得:$CG+CF>GF$,$\therefore BE+CF>GF$。
∵$DE⊥ DF$,$GD=ED$,$\therefore DF$垂直平分EG,$\therefore GF=EF$,
$\therefore BE+CF>EF$。
【答案】
(1) $AC=BM$,$AC// BM$
(2) $2<AD<10$
(3) $EF=2AD$,$EF⊥ AD$
(4) 证明如上
【知识点】
中线倍长法;全等三角形的判定与性质;三角形三边关系
【点评】
本题是中线倍长辅助线的典型应用,通过倍长中线(或类中线)构造全等三角形,可实现边、角的转移,将分散的条件整合到同一个三角形中,进而解决线段的数量关系、取值范围、位置关系及不等式证明等问题,该辅助线作法是三角形相关问题中的常用技巧,需熟练掌握。
【难度系数】
0.6
本题围绕中线倍长法展开考查:
(1) 已知AD是BC边上的中线,可得BD=CD,结合对顶角相等、DM=AD,可证△ADC≌△MDB,利用全等性质即可得到AC和BM的数量、位置关系;
(2) 直接在原三角形中无法求AD的取值范围,因此使用倍长中线法构造全等,将AC转化为BM,把AB、BM、2AD集中在同一个△ABM中,利用三角形三边关系即可求解;
(3) 仍采用倍长中线法构造全等,先将AC转化为BM,结合已知条件推出BM=AF,再推导角相等证明△ABM≌△EAF,即可得到EF与AD的数量关系,最后通过角的等量代换证明垂直关系;
(4) D是BC中点,属于类中线结构,延长ED到G使DG=DE,构造全等将BE转化为CG,结合DE⊥DF可得DF是EG的垂直平分线,故EF=GF,最后在△CFG中利用三边关系即可证明不等式。
【解析】
(1) 在$△ ADC$和$△ MDB$中:
$\begin{cases} CD=BD \\ ∠ CDA=∠ BDM \\ AD=MD \end{cases}$
$\therefore △ ADC≌△ MDB(\mathrm{SAS})$
$\therefore AC=BM$,$∠ C=∠ DBM$,$\therefore AC// BM$。
(2) 延长AD到点M,使$DM=AD$,连接BM。
∵AD是$△ ABC$的中线,$\therefore BD=CD$。
在$△ ADC$和$△ MDB$中:
$\begin{cases} CD=BD \\ ∠ CDA=∠ BDM \\ AD=MD \end{cases}$
$\therefore △ ADC≌△ MDB(\mathrm{SAS})$,$\therefore BM=AC=8$。
在$△ ABM$中,由三角形三边关系得:$AB-BM<AM<AB+BM$,
代入$AB=12$、$BM=8$、$AM=2AD$得:$12-8<2AD<12+8$,
化简得$2<AD<10$。
(3) $EF=2AD$,$EF⊥ AD$,理由如下:
延长AD到点M,使得$DM=AD$,连接BM。
由(2)可知$△ BDM≌△ CDA(\mathrm{SAS})$,$\therefore BM=AC$,
∵$AC=AF$,$\therefore BM=AF$。
由(1)可知$AC// BM$,$\therefore ∠ BAC+∠ ABM=180°$。
∵$AE⊥ AB$,$AF⊥ AC$,$\therefore ∠ BAE=∠ FAC=90°$,
$\therefore ∠ BAC+∠ EAF=180°$,$\therefore ∠ ABM=∠ EAF$。
在$△ ABM$和$△ EAF$中:
$\begin{cases} AB=EA \\ ∠ ABM=∠ EAF \\ BM=AF \end{cases}$
$\therefore △ ABM≌△ EAF(\mathrm{SAS})$,$\therefore AM=EF$,$∠ BAM=∠ E$。
∵$AD=DM$,$\therefore AM=2AD$,$\therefore EF=2AD$。
∵$∠ EAM=∠ BAM+∠ BAE=∠ E+∠ APE$,
$\therefore ∠ APE=∠ BAE=90°$,$\therefore EF⊥ AD$。
(4) 证明:延长ED到点G,使$GD=ED$,连接CG、GF。
∵D是BC边上的中点,$\therefore CD=BD$。
在$△ CDG$和$△ BDE$中:
$\begin{cases} GD=ED \\ ∠ CDG=∠ BDE \\ CD=BD \end{cases}$
$\therefore △ CDG≌△ BDE(\mathrm{SAS})$,$\therefore CG=BE$。
在$△ CFG$中,由三角形三边关系得:$CG+CF>GF$,$\therefore BE+CF>GF$。
∵$DE⊥ DF$,$GD=ED$,$\therefore DF$垂直平分EG,$\therefore GF=EF$,
$\therefore BE+CF>EF$。
【答案】
(1) $AC=BM$,$AC// BM$
(2) $2<AD<10$
(3) $EF=2AD$,$EF⊥ AD$
(4) 证明如上
【知识点】
中线倍长法;全等三角形的判定与性质;三角形三边关系
【点评】
本题是中线倍长辅助线的典型应用,通过倍长中线(或类中线)构造全等三角形,可实现边、角的转移,将分散的条件整合到同一个三角形中,进而解决线段的数量关系、取值范围、位置关系及不等式证明等问题,该辅助线作法是三角形相关问题中的常用技巧,需熟练掌握。
【难度系数】
0.6