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专题 18.7 四边形中的七大模型
【人教版】
【模型1 “中点四边形”模型】................................................................................................................................3
【模型2 “十字架”模型】........................................................................................................................................5
【模型3 “垂美四边形”模型】................................................................................................................................8
【模型4 “对角互补”模型】..................................................................................................................................11
【模型5 “含60°角的菱形”模型】.......................................................................................................................14
【模型6 “梯子”模型】..........................................................................................................................................17
【模型7 “半角”模型】..........................................................................................................................................19
【模型一 “中点四边形”模型】
模型特征:
条件 E,F,G,H分别是四边形ABCD的边AB,BC,CD,DA的中点
图示
①四边形EFGH是平行四边形;
② C 四边形EFGH=AC+BD;
1
结论 =
S S
③ 四边形EFGH 2 四边形ABCD
结论证明:
(结论①:四边形EFGH是平行四边形)
由图可知,四边形ABCD被AC分成两个三角形,∵E,F 分别是AB,BC的中点,
∴EF为△ABC的中位线,同理HG为△ACD的中位线,
1 1
∴EF//AC,EF= AC,HG//AC,HG= AC,
2 2
∴EF//HG,且EF=HG,
∴四边形EFGH为平行四边形.
(结论②:C 四边形EFGH=AC+BD)
∵四边形EFGH是平行四边形,
∴EF=GH,FG=EH,
∴ C 四边形EFGH=2(EF+FG).
∵EF,FG 分别是△ABC和△BCD的中位线,
1 1
∴EF= AC,FG= BD,
2 2
∴ C 四边形EFGH=2(EF+FG)=AC+BD.
1
=
(结论③S 四边形EFGH 2 S 四边形ABCD )
∵EF 为△ABC的中位线,GF为△BCD的中位线,HG为△ACD的中位线, EH为△ABD的中位线,
1 1 1 1
∴S
△BEF
=
4
S
△ABC
,S
△CGF
=
4
S
△BCD
,S
△DHG
=
4
S
△ACD
, S
△AHE
=
4
S
△ABD
.
∵S △ABC +S △BCD +S △ACD +S △ABD =2 S 四边形ABCD ,
1 1
∴ S 四边形EFGH=S 四边形ABCD-(S △BEF +S △CGF +S △DHG +S △AHE )=S 四边形ABCD- 4 ×2 S 四边形ABCD= 2 S 四边形ABCD.
模型拓展:
拓展方向 图形背景由一般四边形拓展为特殊四边形
类型 矩形的中点四边形 菱形的中点四边形 正方形的中点四边形
条件 E,F,G,H分别为边AB,BC,CD,DA的中点图示
结论 四边形EFGH是菱形 四边形EFGH是矩形 四边形EFGH是正方形
【模型1 “中点四边形”模型】
【例1】(2024·山东德州·中考真题)我们给出如下定义:顺次连接任意一个四边形各边中点所得的四边形
叫中点四边形.
(1)如图1,四边形ABCD中,点E,F,G,H分别为边AB,BC,CD,DA的中点.求证:中点四边形
EFGH是平行四边形;
(2)如图2,点P是四边形ABCD内一点,且满足PA=PB,PC=PD,∠APB=∠CPD,点E,F,G,H分
别为边AB,BC,CD,DA的中点,猜想中点四边形EFGH的形状,并证明你的猜想;
(3)若改变(2)中的条件,使∠APB=∠CPD=90°,其他条件不变,直接写出中点四边形EFGH的形状.
(不必证明)
【变式1-1】(24-25八年级·江苏盐城·期中)若顺次连接四边形ABCD四边中点形成的四边形为矩形,则
四边形ABCD满足的条件为.
【变式1-2】(24-25八年级·全国·课后作业)我们把顺次连接任意一个四边形各边中点所得的四边形叫做
中点四边形.
(1)任意四边形的中点四边形是什么形状?为什么?
(2)任意平行四边形的中点四边形是什么形状?为什么?
(3)任意矩形、菱形和正方形的中点四边形分别是什么形状?为什么?
【变式1-3】(24-25八年级·河北石家庄·期中)四边形ABCD中,点E、F、G、H分别为AB、BC、CD、
DA边的中点,顺次连接各边中点得到的新四边形EFGH称为中点四边形.(1)我们知道:无论四边形ABCD怎样变化,它的中点四边形EFGH都是平行四边形.特殊的:
①当对角线AC=BD时,四边形ABCD的中点四边形为__________形;
②当对角线AC⊥BD时,四边形ABCD的中点四边形是__________形.
(2)如图:四边形ABCD中,已知∠B=∠C=60°,且BC=AB+CD,请利用(1)中的结论,判断四
边形ABCD的中点四边形EFGH的形状并进行证明.
【模型二 “十字架”模型】
模型特征:
类型 过顶点型 不过顶点型
在正方形ABCD中,点E,F分别在CD,AD 在正方形ABCD中,点E,F,G,H分别在
条件
上,AE⊥BF AB,CD,BC,AD上,EF⊥GH
图示
结论 ①△ABF≌△DAE;②BF=AE GH=EF
结论证明:
(结论:△ABF≌△DAE,BF=AE)
如右图,∵四边形ABCD 为正方形,
∴AB=DA,∠BAF=∠ADE=90°.
∵AE⊥BF,
∴∠AGB=90°,
∴∠ABF+∠BAG=90°.
∵∠BAG+∠DAE=90°,
∴∠ABF=∠DAE.
∠BAF=∠ADE,
在△ABF和△DAE中,
BA=AD,
∠ABF=∠DAE,∴△ABF≌△DAE(ASA),
∴BF=AE.
不过顶点型结论自主证明(提示 :过点 H 作 HM⊥BC,过点 E 作 EL⊥CD,垂足分别为 M,L, 证明
△GHM≌△FEL,即可得GH=EF.)
模型拓展:
拓展方向 由正方形向矩形拓展
类型 过顶点型 不过顶点型
在矩形ABCD中,点E在AD 上, 在矩形ABCD中,点E,F,G,H分别在
条件
CE⊥BD AD,BC,AB,DC上,EF⊥GH
图示
结论
BCD∽△CDE;②CD = DE EF
=
CD
①△ BC CD GH BC
【模型2 “十字架”模型】
【例2】(24-25八年级·江苏无锡·期末)如图,将边长为3的正方形ABCD纸片沿EF折叠,点C落在AB
边上的点G处,点D与点H重合,CG与EF交于点P,取GH的中点Q,连接PQ,则△GPQ的周长最小
值是( )
3 3+3❑√5 3 9
A. +2❑√2 B. C. +2❑√3 D.
2 2 2 2
【变式2-1】(24-25八年级·安徽芜湖·期末)如图,将一边长为12的正方形纸片ABCD的顶点A折叠至
DC边上的点E,使DE=5,若折痕为PQ,则PQ的长为( )A.13 B.14 C.15 D.16
【变式2-2】(24-25八年级·山西太原·期中)如图,在正方形ABCD中,AB=3,点E是BC边上一点,
且CE=2BE,连接AE,点F是AB边上一点,过点F作FG⊥AE交CD于点G,连接EF,EG,AG,
则四边形AFEG的面积为 .
【变式2-3】(2024·河南·一模)综合与实践
数学课上,老师提出了这样一个问题:如图1,在正方形ABCD中,已知AE⊥BF,求证:AE=BF.
甲小组同学的证明思路如下:
由同角的余角相等可得∠ABF=∠DAE.再由AB=DA,∠BAF=∠D=90°,证得△ABF≌△DAE
(依据:________),从而得AE=BF.
乙小组的同学猜想,其他条件不变,若已知AE=BF,同样可证得AE⊥BF,证明思路如下:
由AB=DA,BF=AE可证得Rt△ABF≌Rt△DAE(HL),可得∠ABF=∠DAE,再根据角的等量代换
即可证得AE⊥BF.
完成任务:
(1)填空:上述材料中的依据是________(填“SAS”或“AAS”或“ASA”或“HL”)
【发现问题】
同学们通过交流后发现,已知AE⊥BF可证得AE=BF,已知AE=BF同样可证得AE⊥BF,为了验证这个结论是否具有一般性,又进行了如下探究.
【迁移探究】
(2)在正方形ABCD中,点E在CD上,点M,N分别在AD,BC上,连接AE,MN交于点P.甲小组同
学根据MN⊥AE画出图形如图2所示,乙小组同学根据MN=AE画出图形如图3所示.甲小组同学发现
已知MN⊥AE仍能证明MN=AE,乙小组同学发现已知MN=AE无法证明MN⊥AE一定成立.
①在图2中,已知MN⊥AE,求证:MN=AE;
②在图3中,若∠DAE=α,则∠APM的度数为多少?
【拓展应用】
(3)如图4,在正方形ABCD中,AB=3,点E在边AB上,点M在边AD上,且AE=AM=1,点F,N
分别在直线CD,BC上,若EF=MN,当直线EF与直线MN所夹较小角的度数为30°时,请直接写出
CF的长.
【模型三 “垂美四边形”模型】
模型特征:
条件
在四边形ABCD中,AC⊥BD
图示1
结论
①AB2+CD2=AD2+BC2 ;② S 四边形ABCD=
2
AC·BD
结论证明:
(结论①的证明)
∵AC⊥BD,
∴根据勾股定理,得AB²=AO²+BO²①,
AD²=AO²+DO²②,
CD²=CO²+DO²③,
BC²=BO²+CO²④.
①+③,得AB²+CD²=AO²+BO²+CO²+DO²,
②+④,得AD²+BC²=AO²+DO²+BO²+CO²,
∴AB²+CD²=AD²+BC².
【模型3 “垂美四边形”模型】
【例3】(24-25八年级·江苏徐州·期中)对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形.
(1)概念理解:如图①,在四边形ABCD中,AB=AD,CB=CD,四边形ABCD是垂美四边形吗?请说
明理由;
(2)性质探究:如图②,垂美四边形ABCD的对角线AC,BD交于点O.猜想:AB2+CD2与AD2+BC2
有什么关系?并证明你的猜想;
(3)解决问题:如图③,分别以Rt△ABC的直角边AC和斜边AB为边向外作正方形ACFG和正方形ABDE
,连接CE,BG,GE.已知AC=4,AB=5,求GE的长.
【变式3-1】(2024八年级·全国·专题练习)小明学习了平行四边形这一章后,对特殊四边形的探究产生了
兴趣,发现另外一类特殊四边形,如图1,我们把两条对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形.(1)概念理解:在平行四边形、矩形、菱形、正方形中,一定是垂美四边形的是
(2)性质探究:通过探究,直接写出垂直四边形ABCD的面积S与两对角线AC,BD之间的数量关系:
.
(3)问题解决:如图2,分别以Rt△ACB的直角边AC和斜边AB为边向外作正方形ACFG和正方形ABDE,
连接CG,BE,GE,已知AC=4,AB=5.
①求证:四边形BCGE为垂美四边形;
②求出四边形BCGE的面积.
【变式3-2】(24-25八年级·江苏泰州·期中)四边形ABCD,AC⊥BD,点E为对角线BD上任意一点,
连接AE、CE. 若AB=5,BC=3,则AE2-CE2等于( )
A.7 B.9 C.16 D.25
【变式3-3】(24-25八年级·广东韶关·期末)新定义:对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形.
(1)尺规作图:以已知线段EG为对角线作一个垂美四边形EFGH,使其对角线交于点O;(不写作法,保
留作图痕迹)
(2)已知四边形ABCD是垂美四边形,且AC=3❑√6,BD=4❑√2,则它的面积为________;
(3)如图,四边形ABCD是垂美四边形,AB=c,BC=d,CD=a,DA=b,探究a、b、c、d的数量关系;(4)如图,已知D、E分别是△ABC中边BC、AC的中点,AD⊥BE,AC=3,BC=4,请运用上题的结
论,求AB的长.
【模型四 “对角互补”模型】
模型特征:
类型 90°角的对角互补模型 60°,120°角的对角互补模型
∠ABC=∠ADC=90°,BD平分∠ABC ∠ABC=120°,∠ADC=60°,BD 平 分
条件
∠ABC
过 点 D 分 别 作
DE⊥BC于点E, DF⊥BA交BA的延
长线于点F
作辅
助线
过点 D 分别作 DE⊥BC于点 E, DF⊥BA交 BA
的延长线于点F结论
①AD=CD; ①AD=CD;
②AB+BC = ❑√2BD ②AB+BC=BD;
1 ❑√3
③ S 四边形ABCD= 2 BD2 ③ S 四边形ABCD= 4 BD2
结论证明:
(针对“90°角的对角互补”模型中的结论进行证明)
如右图,过点D 分别作DE⊥BC于 点E,DF⊥BA 交 BA的延长线于点F.
∵BD 平分∠ABC,∴DE=DF.
∵∠ABC=∠ADC=90°,
∴∠BAD+∠C=180°.
∵∠BAD+∠DAF=180°,
∴∠DAF=∠C.
∵∠F=∠DEC=90°,
∴△DFA≌△DEC(AAS),
∴AD=CD (结论①),AF=CE,
∴AB+BC=AB+BE+CE=AB+BE+AF=BF+BE.
易证四边形DFBE为正方形,
❑√2
∴BF=BE= BD
2
∴AB+BC=BF+BE= ❑√2BD(结论②);
由三角形全等可知 S =S ,
△DFA △DEC
❑√2 1
∴ S 四边形ABCD= S 正方形DFBE=BF 2=(
2
BD)2=
2
BD2(结论③)
模型拓展:
拓展方向 将角平分线的条件去掉
条件 ∠ABC+∠ADC=180°
图示过点D分别作DE⊥AB于点E,DF⊥BC交 作∠BDG =∠ADC
BC的延长线于点F
作辅助线
结论 △DAE∽△DCF △DAB∽△DCG
【模型4 “对角互补”模型】
【例4】(24-25八年级·重庆南岸·期末)在∠MAN内有一点D,过点D分别作DB⊥AM,DC⊥AN
,垂足分别为B,C.且BD=CD,点E,F分别在边AM和AN上.
(1)如图1,若∠BED=∠CFD,请说明DE=DF;
(2)如图2,若∠BDC=120°,∠EDF=60°,猜想EF,BE,CF具有的数量关系,并说明你的结论成
立的理由.
【变式4-1】(2024八年级·全国·专题练习)已知∠ABC=60°,∠ADC=120°,AB=BC,求证:
❑√3
AD+DC=BD,S =S +S = BD2.
四 边 形ABC△DABD △BCD 4
【变式4-2】(2024八年级·全国·专题练习)已知:∠ABC=∠ADC=90°,AD=DC,求证:
BC+AB=❑√2BD.【变式4-3】(2024·河南濮阳·一模)如图1,在四边形ABCD中,AB=AD,∠B+∠ADC=180°,点E,F
1
分别在四边形ABCD的边BC,CD上,∠EAF= ∠BAD,连接EF,试猜想EF,BE,DF之间的数量关
2
系.
(1)思路梳理
将△ABE绕点A逆时针旋转至△ADG,使AB与AD重合,由∠B+∠ADC=180°,得∠FDG=180°,即点
F,D,G三点共线,易证△AFG≌△AFE,故EF,BE,DF之间的数量关系为__;
(2)类比引申
如图2,在图1的条件下,若点E,F由原来的位置分别变到四边形ABCD的边CB,DC延长线上,
1
∠EAF= ∠BAD,连接EF,试猜想EF,BE,DF之间的数量关系,并给出证明.
2
(3)联想拓展
如图3,在△ABC中,∠BAC=90°,AB=AC,点D,E均在边BC上,且∠DAE=45°,若BD=1,EC=2,
直接写出DE的长为________________.
【模型五 “含60°角的菱形”模型】
模型特征:
条件
四边形ABCD为菱形,对角线AC与BD交于点O,∠ABC=60°图示
①∠ABD=∠CBD=30°;
②△ABC和△ACD均为等边三角形;
结论
③AB:AC:BD=1:1:❑√3;
1 ❑√3
④S菱形ABCD= AC·BD= BC2
2 2
结论证明:
∵四边形ABCD 为菱形,∠ABC=60°,
∴∠ABD=∠CBD=30°(结论①),AB=BC=CD=AD,
∴△ABC 和△ACD 均为等边三角形(结论②).
(有一个内角为60°的等腰三角形是等边三角形)
❑√3
在Rt△BOC中,OB=BC·cos 30°= BC
2
∴BD=2OB=❑√3BC,
∴AB:AC:BD=1:1:❑√3 (结论③).
如图,过点A 作AE⊥BC,垂足为E.
❑√3 ❑√3
在Rt△ABE中,AE= AB= BC
2 2
1
∵S菱形ABCD = AC·BD=BC·AE,(菱形的面积等于对角线乘积的一半.)
21 ❑√3
∴S菱形ABCD = AC·BD= BC2(结论④).
2 2
【模型5 “含60°角的菱形”模型】
【例5】(24-25八年级·广东云浮·期末)综合与实践课上,智慧星小组三名同学对含60°角的菱形进行了
以下探究.
【背景】
在菱形ABCD中,∠B=60°,作∠MAN=∠B,AM,AN分别交BC,CD于点M,N.
【感知】
(1)如图1,若M是边BC的中点,小智经过探索发现了线段AM与AN之间的数量关系,请你直接写出
这个关系:____________________.
【探究】
(2)如图2,当M为边BC上任意一点时,判断(1)中的结论是否仍然成立,并说明理由.
【应用】
(3)如图3,在菱形纸片ABCD中,∠ABC=60°,AB=4,在边BC上取一点P,连接AP,在菱形内
部作∠PAN=60°,AN交CD于点N.当AP=❑√13时,求线段DN的长.
【变式5-1】(24-25八年级·北京西城·期末)小雨在参观故宫博物馆时,被太和殿窗棂的三交六椀菱花图
案所吸引,他从中提取出一个含60°角的菱形ABCD(如图1所示).若AB的长度为a,则菱形ABCD的
面积为( )
❑√3a2 ❑√3a2
A. B. C.a2 D.❑√3a2
4 2【变式5-2】(24-25八年级·江苏无锡·阶段练习)含60°角的菱形A B C B ,A B C B ,A B C B
1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4
,…,按如图的方式放置在平面直角坐标系xOy,点A ,A ,A ,…,和点B ,B ,B ,B ,…,分别
1 2 3 1 2 3 4
在直线y=kx和x轴上.已知B (2,0),B (4,0),则点A 的坐标是 ;点A 的坐标是 (n为正
1 2 1 n
整数).
【变式5-3】(24-25八年级·江西上饶·期中)【问题情境】
(1)数学探究课上,某兴趣小组探究含60°角的菱形的性质.
如图1,菱形ABCD的边长为2❑√3,∠ABC=60°,则∠ABD=______°,BD=______.
【操作发现】
(2)如图2,在图1的基础上,小贤在菱形ABCD的对角线BD上任取一点P(点P不与点B重合),以
AP为边向右侧作菱形APEF,且∠APE=60°,连接DF.
①求证:△ABP≌△ADF;
②随着点P位置的改变,∠BDF的度数是否发生变化?若不变,求出∠BDF的度数;若变化,请说明理
由.
【拓展延伸】
(3)在(2)中,连接PF,若DP=4,求此时PF的长.【模型六 “梯子”模型】
模型特征:
线段AB的两端点在坐标轴上滑动,∠ABC=90°,AB的中点为Q, 连接OQ,CQ,OC
条件
图示
结论
当O,Q,C三点共线时,OC取得最大值,最大值为OQ+CQ
结论证明:
1
∵∠ABC=90°,AB的中点为Q,∴OQ=QB= AB.
2
在Rt△BQC中,由勾股定理,得CQ= =√ 1 2
❑√QB2+BC2 ❑( AB) +BC2
2
在△OQC中,OC ≤ OQ+QC,∴当O,Q,C三点共线时,OC取得最大值,此时OC=OQ+CQ,
∴OC=1AB √ 1 2
+❑( AB) +BC2
2 2
【模型6 “梯子”模型】
【例6】(24-25八年级·江苏泰州·期中)如图,在Rt△ABC中,∠BAC=90°,AB=1,AC=4,点A在
y轴上,点C在x轴上,则点A在移动过程中,BO的最大值是 .
【变式6-1】(24-25八年级·湖北武汉·期末)如图,∠MON=90°,矩形ABCD在∠MON的内部,顶点
A,B分别在射线OM,ON上,AB=4,BC=2,则点D到点O的最大距离是
①2❑√2-2;②2❑√2+2;③2❑√5-2;④❑√2+2【变式6-2】(2024八年级·全国·专题练习)如图所示,线段AB的两端在坐标轴上滑动,∠ABC=90°,
AB的中点为Q,连接OQ,QC,求证:O,Q,C三点共线时,OC取得最大值.
【变式6-3】(24-25八年级·江苏盐城·期中)已知∠MON=90°,线段AB长为6cm,AB两端分别在OM、
ON上滑动,以AB为边作正方形ABCD,对角线AC、BD相交于点P,连结OC.
(1)求证:无论点A、点B怎样运动,点P都在∠AOB的平分线上;
(2)若OP=4❑√2,求OA的长.
(3)求OC的最大值(提示:取AB的中点Q,连接CQ、OQ,运用两点之间,线段最短)
【模型七 “半角”模型】
模型特征:
拓展方向 特殊四边形中的“半角”模型
类型 90°含45° 120°含60°
特点 正方形ABCD,∠EAF=45° 菱形ABCD,∠BAD=120°,∠EAF=60°图示
变形
①△ABG≌△ADF,△AGE≌△AFE;
①△ABE≌△ADG,△AEF≌△AGF;
结论
②EF=BE+DF
②△AEF 为 等 边 三 角 形 ( 连 接 AC, 可 得
△AEC≌△AFD)
【模型7 “半角”模型】
【例7】(24-25八年级·广西南宁·期中)如图①,四边形ABCD是正方形,M,N分别在边CD、BC上,
且∠MAN=45°,我们称之为“半角模型”,在解决“半角模型”问题时,旋转是一种常用的方法,如图
①,将△ADM绕点A顺时针旋转90°,点D与点B重合,连接AM、AN、MN.
(1)试判断DM,BN,MN之间的数量关系;
(2)如图②,点M、N分别在正方形ABCD的边BC、CD的延长线上,∠MAN=45°,连接MN,请写出
MN、DM、BN之间的数量关系,并写出证明过程.
(3)如图③,在四边形ABCD中,AB=AD,∠BAD=120°,∠B+∠D=180°,点N,M分别在边BC
,CD上,∠MAN=60°,请直接写出BN,DM,MN之间数量关系.
【变式7-1】(24-25八年级·黑龙江齐齐哈尔·期末)综合与实践
(1)如图1,在正方形ABCD中,点M、N分别在AD、CD上,若∠MBN=45°,则MN,AM,CN的数量关系为 .
(2)如图2,在四边形ABCD中,BC∥AD,AB=BC,∠A+∠C=180°,点M、N分别在AD、CD上,若
1
∠MBN= ∠ABC,试探索线段MN、AM、CN有怎样的数量关系?请写出猜想,并给予证明.
2
(3)如图3,在四边形ABCD中,AB=BC,∠ABC+∠ADC=180°,点M、N分别在DA、CD的延长线
1
上,若∠MBN= ∠ABC,试探究线段MN、AM、CN的数量关系为 .
2
【变式7-2】(24-25八年级·山东威海·期末)(1)如图1,在四边形ABCD中,AB=AD,
1
∠B=∠D=90°,E、F分别是边BC、CD上的点,若∠EAF= ∠BAD,可求得EF、BE、FD之间的
2
数量关系为________.(只思考解题思路,完成填空即可,不必书写证明过程)
(2)如图2,在四边形ABCD中,AB=AD,∠B+∠ADC=180°,E、F分别是边BC、CD延长线上
1
的点,若∠EAF= ∠BAD,判断EF、BE、FD之间的数量关系还成立吗,若成立,请完成证明,若不
2
成立,请说明理由.
【变式7-3】(24-25八年级·四川达州·期末)将锐角为45°的直角三角板MPN的一个锐角顶点P与正方形ABCD的顶点A重合,正方形ABCD固定不动,然后将三角板绕着点A旋转,∠MPN的两边分别与正方形
的边BC、DC或其所在直线相交于点E、F,连接EF.
(1)在三角板旋转过程中,当∠MPN的两边分别与正方形的边CB、DC相交时,如图1所示,请直接写
出线段BE、DF、EF满足的数量关系;
(2)在三角板旋转过程中,当∠MPN的两边分别与正方形的边CB、DC的延长线相交时,如图2所示,
请直接写出线段BE、DF、EF满足的数量关系;
(3)若正方形的边长为4,在三角板旋转过程中,当∠MPN的一边恰好经过BC边的中点时,试求线段
EF的长.