如图,在直角 △ABC\triangle ABC 中,∠ACB=90∘\angle ACB = 90^\circ, AC=BCAC = BC, DD 是 ABAB 的中点,PP 是 △ACD\triangle ACD 内一点,连接 PA,PB,PC,PDPA, PB, PC, PD,PC=1,PD=2,PA=3PC = 1, PD = 2, PA = 3。

  1. (1)

    求 ∠CPD\angle CPD 的度数;

  2. (2)

    求 PBPB 的长。

完整解法

(1)

1. 分析基本图形性质并构造旋转辅助线

在 Rt△ABC\triangle ABC 中,∠ACB=90∘\angle ACB = 90^\circ,AC=BCAC = BC,DD 是 ABAB 的中点,
由等腰直角三角形的性质可知 CD⊥ABCD \perp AB,AD=CD=BDAD = CD = BD,且 ∠ADC=90∘\angle ADC = 90^\circ。
将 △DAP\triangle DAP 绕点 DD 顺时针旋转 90∘90^\circ,得到 △DCP′\triangle DCP',连接 PP′PP'。
由旋转的性质可知:
DP′=DP=2,CP′=AP=3,∠PDP′=90∘DP' = DP = 2, \quad CP' = AP = 3, \quad \angle PDP' = 90^\circ

2. 计算 $\triangle PDP'$ 的边长及内角

在 Rt△PDP′\triangle PDP' 中,∠PDP′=90∘\angle PDP' = 90^\circ,DP=DP′=2DP = DP' = 2,
则 △PDP′\triangle PDP' 为等腰直角三角形,
PP′=DP2+DP′2=22+22=22PP' = \sqrt{DP^2 + DP'^2} = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2}
∠DPP′=45∘\angle DPP' = 45^\circ

3. 利用勾股定理逆定理判定 $\angle CPP'$ 并求出 $\angle CPD$

在 △PCP′\triangle PCP' 中,PC=1PC = 1,PP′=22PP' = 2\sqrt{2},CP′=3CP' = 3。
计算三边的平方关系:
PC2+PP′2=12+(22)2=1+8=9PC^2 + PP'^2 = 1^2 + (2\sqrt{2})^2 = 1 + 8 = 9
CP′2=32=9CP'^2 = 3^2 = 9
因为 PC2+PP′2=CP′2PC^2 + PP'^2 = CP'^2,所以 △PCP′\triangle PCP' 是以 ∠CPP′\angle CPP' 为直角的直角三角形,即 ∠CPP′=90∘\angle CPP' = 90^\circ。
结合图形位置关系,点 P′P' 与点 PP 分居 CDCD 两侧,
∠CPD=∠CPP′+∠DPP′=90∘+45∘=135∘\angle CPD = \angle CPP' + \angle DPP' = 90^\circ + 45^\circ = 135^\circ

答案

135∘135^\circ

(2)

1. 构造旋转将线段 $PB$ 转化

因为 DB=DCDB = DC 且 CD⊥ABCD \perp AB(即 ∠BDC=90∘\angle BDC = 90^\circ),
将 △DPB\triangle DPB 绕点 DD 逆时针旋转 90∘90^\circ,使 DBDB 与 DCDC 重合,得到 △DP′′C\triangle DP''C,连接 PP′′PP''。
由旋转性质可知:
DP′′=DP=2,P′′C=PB,∠PDP′′=90∘DP'' = DP = 2, \quad P''C = PB, \quad \angle PDP'' = 90^\circ

2. 证明 $C, P, P''$ 三点共线并求出 $PB$

在 Rt△PDP′′\triangle PDP'' 中,DP=DP′′=2DP = DP'' = 2,∠PDP′′=90∘\angle PDP'' = 90^\circ,
所以 △PDP′′\triangle PDP'' 是等腰直角三角形,得 PP′′=22PP'' = 2\sqrt{2},∠DPP′′=45∘\angle DPP'' = 45^\circ。
由 (1) 可知 ∠CPD=135∘\angle CPD = 135^\circ。
因此:
∠CPP′′=∠CPD+∠DPP′′=135∘+45∘=180∘\angle CPP'' = \angle CPD + \angle DPP'' = 135^\circ + 45^\circ = 180^\circ
即点 C,P,P′′C, P, P'' 在同一条直线上。
所以 P′′C=PC+PP′′=1+22P''C = PC + PP'' = 1 + 2\sqrt{2}。
故 PB=P′′C=1+22PB = P''C = 1 + 2\sqrt{2}。

答案

1+221 + 2\sqrt{2}

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