(1)证明:如图1,连接OB,OP. ∵O是等边三角形BPQ的外心, ∴圆心角∠BOP==120°. 当∠MAN=60°,不垂直于AM时,作OT⊥AN,则OB=OP. 由∠HOT+∠A+∠AHO+∠ATO=360°,且∠A=60°,∠AHO=∠ATO=90°, ∴∠HOT=120度. ∴∠BOH=∠POT. ∴Rt△BOH≌Rt△POT. ∴OH=OT. ∴点O在∠MAN的平分线上. 当OB⊥AM时,∠APO=360°-∠A-∠BOP-∠OBA=90°. 即OP⊥AN, ∴点O在圆I的平分线上. 综上所述,当点P在射线AN上运动时,点O在∠MAN的平分线上.
(2)如图2, ∵AO平分∠MAN,且∠MAN=60°, ∴∠BAO=∠PAO=30°. 由(1)知,OB=OP,∠BOP=120°, ∴∠CBO=30°, ∴∠CBO=∠PAC. ∵∠BCO=∠PCA, ∴∠AOB=∠APC. ∴△ABO∽△ACP. ∴=. ∴AC•AO=AB•AP. ∴y=4x. 定义域为:x>0.
(3)①如图3,当BP与圆I相切时,AO=2; ②如图4,当BP与圆I相切时,AO=; ③如图5,当BQ与圆I相切时,AO=0.
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