命题

如图 1.0.1,等腰三角形 GCD 与正方形 ABCD 共边 CD;CG、DG 分别交 AB 于点 E、点 F. 则问不断增加等腰三角形 GCD 的高,能否使等腰三角形 GCD 完全覆盖住正方形 ABCD?
证明 / 证伪
设正方形边长为 a,三角形 GCD 的高为 x,四边形 EFCD 的面积为 y
方法一
∵ABCD是正方形∴∠A=∠B=90°,AB⊥AC于点A且⊥BD于点B,AB//CD∴△AEC与△BFD都是直角三角形,其中∠A=∠B=90°,且△GCD∼△GEF又∵三角形GEF的高是(x−a),三角形GCD的高是x∴EF:CD=(x−a):x∴EF=CDxx−a=xa(x−a)=xax−a2=a−xa2∴AE=BF=21(AB−EF)=21[a−(a−xa2)]=2xa2∴tan∠BDF=tan∠ACE=ACAE=BDBF=a2xa2当△GCD完全覆盖正方形ABCD时,有∠GDC=∠GCD⩾90°当∠GDC=∠GCD=90°时,tan∠BDF=tan(90°−∠GDC)=tan∠ACE=tan(90°−∠GCD)=tan0°=0∴ACAE=BDBF=a2xa2=0∴2xa2=0,a2=0,a=0此时原式不成立,所以等腰△GCD不能完全覆盖住正方形ABCD当∠GDC=∠GCD>90°时,有∠GDC+∠GCD>180°∵三角形内角和为180°∴此时GCD不是三角形,不符合题设,所以等腰△GCD不能完全覆盖住正方形ABCD综上所述,等腰△GCD不能完全覆盖住正方形ABCD方法二
∵ABCD是正方形∴AB//CD∴△GCD∼△GEF,四边形EFCD是梯形又∵△GEF的高是(x−a),△GCD的高是x∴EF:CD=(x−a):x∴EF=CDxx−a=xa(x−a)=xax−a2=a−xa2∴S梯形EFCD=21AC(EF+CD)=21[a(a−xa2)+a]=21a(2a−xa2)=a2−2xa3若要让等腰△GCD完全覆盖住正方形ABCD,则显然有S梯形EFCD=S正方形ABCD于是可得a2=a2−2xa3,则2xa3=0,故a3=0,a=0此时原式无意义,所以等腰△GCD不能完全覆盖住正方形ABCD综上所述,等腰三角形 GCD 无法完全覆盖住正方形 ABCD.
推广
从方法二的证明过程中,可以发现三角形 GCD 可以不是等腰三角形,此时结论依旧成立。所以我们有真命题:在图 1.0.1 中三角形 GCD 无法完全覆盖住正方形 ABCD.
探究
在方法二中,我们得出了正方形 ABCD 的边长 a,三角形 GCD 的高 x 与梯形 EFCD 面积 y 之间的关系式,亦或者说是函数即 y=a2−2xa3
那么,若是不让三角形 GCD 完全覆盖正方形 ABCD(不让三角形 GCD 的高等于无限),而是让其高尽量长,趋近于无限呢?
此时,可得 x→∞lim(a2−2xa3)=a2
于是有当三角形 GCD 的高 x 趋近于无限时,梯形 EFCD 的面积趋近于正方形 ABCD 的面积 a², 此时三角形 GCD 在正方形内的面积趋近正方形 ABCD 的面积.
结论
图 1.0.1 中的三角形 GCD 无法完全覆盖住正方形 ABCD,但若三角形 GCD 的高趋近于无限,则此时三角形 GCD 在正方形内的面积趋近正方形 ABCD 的面积.