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三角形的五心综合讲稿(陶平生)
【几何十讲】 三角形的五心-B(欧拉线心) (外心、重心与垂心) 陶平生 三角形的五心是指内心、外心、重心、垂心与旁心;在数学竞赛中占有十分重要的位置. 从赛题统计方面来看,其中又以内心问题最为突出,必须熟悉五心的基本性质,基本构形,常用辅助线以及基本定理的应用. 外心、重心与垂心 的外心为,重心为,垂心为,则有 、三点共线(欧拉线)且 ; 、; 、; 、与具有相等的外接圆半径; 、的垂心是其垂足三角形的内心. 例、中,为外心,三条高交于点,直线和交于点, 和交于点; 求证:、;、. (全国联赛) 证一、(纯几何方法)设于,则,又由共圆,则,所以共圆,所以,因此 ,同理有. 为证,由分别共圆,, ,设,在直角三角形中,由于, 则,因此∽,且其对应边互相垂直. 作∥,于是只要证,,即要证∽,由, 只要证 … ① 因 … ② 据①②,只要证 … ③ 注意∽,∽,∽,则 ,相乘得 … ④ 由③④,只要证 … ⑤ 由于∽,且平分,则, 所以,因此,即有. 证二、(利用根轴性质)为证,只要证,, 据斯特瓦特定理,,同样有 ,据共圆,又有,所以 ,因此,同理有. 再证,据,得 … ①; 由得 … ②; 由得 … ③; 由得 … ④ 由得 … ⑤ ①+③+④ -②-⑤得,所以. 证三、(面积与三角方法)(仅证.) 如图,作∥,点在上,在与中,因为, ,即,于是; 为证,只要证∽,即要证 … ① 因, … ②, 而, . 故由②,,因此①成立,故结论得证. 证四、(解析法)、取为原点,为轴,建立直角坐标系,设三顶点坐标为,则重心为,于是的方程为:,的方程为:;再设垂心为,则的方程为:; 由于,则, 因此,,于是的方程为:,且垂心坐标为 同理得,的方程为:; 因共线(欧拉线),且点外分线段为定比:;记, 则,,即, 故,,, 因过与的交点,故的方程可表为:, 注意过原点,得,所以的方程为:, 同理知,的方程为:; 所以,; 由于,所以; 、先求的方程:一方面,由于过与的交点,故的方程可表为:,即: ,也即 … ① 另一方面,由于过与的交点,故的方程可表为: ,即: ,也即 … ② 由于方程①和②表示同一条直线,所以 … ③, … ④ 由③得, 显然有,,所以 …… ⑤ 由④得,(因,有意义,则) 所以 ……⑥,由⑤⑥得,于是的方程为: ,即,因此,, 前已得到,所以,从而. 例、如图,以的一边为直径作圆,分别交所在直线于,过分别作圆的切线交于一点,直线与交于一点; 证明:三点共线. 证:连,则弦切角,由, 得,以为圆心,为半径作,交直线于,则, 故共点;所以 ,, 得,因此是的垂心. 所以,又因,则三点共线. 例、如图,分别是的边上的点,且; 求证:线段过的重心. 证:取的中点,截于, ,则 ,因为在中线上,所以是重心. 以上用到, . 例、是的旁切圆,已知 分别切三边于;分别切三边于;; ;. 证明:共线,共线,共线; . 证: 作于,设 ,的半径分别记为, 则 同理, ,因为∥,则,故. 又设,则 ,为证,只要证, ,即,连,因,故 ∥,同理,,于是共圆,得, ,所以 . 即三线共点. 因,所以 ,因 ,而, 所以,,因此 ∥,而 ,所以,且共线. 即所共直线为的一条高线;同理可得,共线,且其所共直线也构成的一条高线,因此与的交点为的垂心,故在另一条高线上,因此结论得证. 例、如图, 中,,,是上的点,且;的外接圆分别交于. 求证:. 证:如右图,设,则 ,将绕反时针旋转至, 则,所以为直角三角形; 又显然,所以, 故由,得 记圆的半径为,则直径,, 由圆幂定理,,, 即,; 所以, 即. 例、过的外心任作一直线,分别交边于,分别是的中点.证明:. 证:我们证明以上结论对任何三角形都成立. 分三种情况考虑,对于直角三角形,结论是显然的,事实上,如图一中左图,若 为直角,则外心是斜边的中点,过的直线交于,则共点,由于是的中点,故中位线∥,所以; 以下考虑为锐角三角形或钝角三角形的情况,(如图一中右边两图所示) (图一) 先证引理:如右图,过的直径上的两点分别作弦,连,分别交于,若,则. 引理证明:设,直线分别截,据梅涅劳斯定理,,; 则 … ① 而由相交弦,得 … ② 若的半径为,,则 …③, 据①②③得, ,即.因此.引理得证. 回到本题,如下图(两图都适用),延长得直径,在直径上取点,使,设,连交于,由引理,,(右图中则是)因此,是的中点,故分别是及的中位线,于是得. 例、锐角三角形的三边互不相等,其垂心为,是的中点,直线 , ,交于,直线与分别交于. 证明:、平分; 、三线共点. 证:如图,连,因共圆,为圆心,则, 连,由共圆,得;又由共圆,得,相加得,
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