23. (本题12分)
已知$\triangle ABC$是等边三角形,点$P$是平面内一点,且四边形$PBCD$为平行四边形,将线段$CD绕点C顺时针旋转60^{\circ}$,得到线段$CE$。
(1)如图甲,当$P为AC$的中点时,求证:$EC\perp PD$。
(2)如图乙,当$P为\triangle ABC$内任一点时,连接$PA$,$PE$,$AE$,试判断$\triangle PAE$的形状,并证明你的结论。

已知$\triangle ABC$是等边三角形,点$P$是平面内一点,且四边形$PBCD$为平行四边形,将线段$CD绕点C顺时针旋转60^{\circ}$,得到线段$CE$。
(1)如图甲,当$P为AC$的中点时,求证:$EC\perp PD$。
(2)如图乙,当$P为\triangle ABC$内任一点时,连接$PA$,$PE$,$AE$,试判断$\triangle PAE$的形状,并证明你的结论。
答案
(1)见解析;(2)△PAE是等边三角形,证明见解析。
解析
(1)证明:设等边△ABC边长为2a,P为AC中点,AP=PC=a,AC=BC=2a。
∵四边形PBCD为平行四边形,∴PD=BC=2a,PD//BC,CD=PB,CD//PB。
∵△ABC为等边三角形,P为AC中点,∴BP⊥AC,BP=√3a,∠PBC=30°,则CD=PB=√3a。
CD绕点C顺时针旋转60°得CE,∴CD=CE=√3a,∠DCE=60°,△DCE为等边三角形,CE=√3a。
建立坐标系:C(0,0),B(2a,0),A(a,√3a),P(a/2,√3a/2)。
∵PD//BC,PD=2a,∴D(-3a/2,√3a/2)。
向量CD=(-3a/2,√3a/2),顺时针旋转60°得CE:E(0,√3a)。
PD向量=(-2a,0),EC向量=(0,-√3a),PD·EC=0,∴EC⊥PD。
(2)△PAE为等边三角形。
证明:∵△ABC为等边三角形,∴AC=BC,∠ACB=60°。
四边形PBCD为平行四边形,∴PD=BC=AC,CD=PB,CD//PB。
CD绕C顺时针旋转60°得CE,∴CD=CE,∠DCE=60°,△DCE为等边三角形,CE=CD=DE,∠CDE=60°。
∵PD//BC,∴∠PDC=∠BCD。
∠ACB=∠ACD+∠BCD=60°,∠DCE=∠BCE+∠BCD=60°,∴∠ACD=∠BCE。
在△ACD和△BCE中,AC=BC,∠ACD=∠BCE,CD=CE,∴△ACD≌△BCE(SAS),∴AD=BE,∠CAD=∠CBE。
∵PB=CE,PB//CD,CD=CE,∴∠PBE=60°,△PBE为等边三角形,PE=PB=CD=CE。
在△APC和△EPB中,AP=EP,∠CAP=∠BEP,AC=EB,∴△APC≌△EPB(SAS),∴PA=PE,∠APE=60°。
∴△PAE为等边三角形。
∵四边形PBCD为平行四边形,∴PD=BC=2a,PD//BC,CD=PB,CD//PB。
∵△ABC为等边三角形,P为AC中点,∴BP⊥AC,BP=√3a,∠PBC=30°,则CD=PB=√3a。
CD绕点C顺时针旋转60°得CE,∴CD=CE=√3a,∠DCE=60°,△DCE为等边三角形,CE=√3a。
建立坐标系:C(0,0),B(2a,0),A(a,√3a),P(a/2,√3a/2)。
∵PD//BC,PD=2a,∴D(-3a/2,√3a/2)。
向量CD=(-3a/2,√3a/2),顺时针旋转60°得CE:E(0,√3a)。
PD向量=(-2a,0),EC向量=(0,-√3a),PD·EC=0,∴EC⊥PD。
(2)△PAE为等边三角形。
证明:∵△ABC为等边三角形,∴AC=BC,∠ACB=60°。
四边形PBCD为平行四边形,∴PD=BC=AC,CD=PB,CD//PB。
CD绕C顺时针旋转60°得CE,∴CD=CE,∠DCE=60°,△DCE为等边三角形,CE=CD=DE,∠CDE=60°。
∵PD//BC,∴∠PDC=∠BCD。
∠ACB=∠ACD+∠BCD=60°,∠DCE=∠BCE+∠BCD=60°,∴∠ACD=∠BCE。
在△ACD和△BCE中,AC=BC,∠ACD=∠BCE,CD=CE,∴△ACD≌△BCE(SAS),∴AD=BE,∠CAD=∠CBE。
∵PB=CE,PB//CD,CD=CE,∴∠PBE=60°,△PBE为等边三角形,PE=PB=CD=CE。
在△APC和△EPB中,AP=EP,∠CAP=∠BEP,AC=EB,∴△APC≌△EPB(SAS),∴PA=PE,∠APE=60°。
∴△PAE为等边三角形。
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