平面几何研究----平面几何新思索(叶中豪)(3)

2018-12-19 23:08

当△ABC是直角三角形(∠C=90°),且CH⊥AB时,此图有很多特殊的性质(有两个常见题涉及此图:一是说斜边上的高CH等于这三个圆的半径和——此题曾作为1959年的基辅数学竞赛题(七年

222

级)№297;一是说r1+r2=r。前者只需利用直角三角形中r=p-a,而后者相当于勾股定理)。

作出⊙I1,⊙I2的另外一条外公切线MN。下图表明这时有很多相等的线段(PQ=DH,EE1

=DD1=D2H,FF1=DD2=D1H),并有六个三线共点(图中用虚线显示)。设高CH和外公切线MN的交点为L,则L到C,I1,I2三点等距;而且,这时LI1,LI2的方向也与直角边平行。

CEE1MLPNQI2D2BF1FI1IA04031904D1DH

A【040321】《初中数学竞赛辅导讲座》(上海科技出版社1987年版)杜锡录的讲座中有一道常见题:“设P为正三角形ABC外接圆BC弧上的任意一点,CP的延长线交AB的延长线于E点,BP的延长线交AC的延长线于F点。求证:BC2=BE2CF。(思考题9 №3)”

(只需证明△EBC∽△BCF即可。)

此题可推广为(昨天晚上得到):

推广 设P为△ABC外接圆上任意一点,CP的延长线交AB的延长线于E点,BP的延长线交AC的延长线于F点。又设AC边的垂直平分线交AB于J,AB边的垂直平分线交AC于K。求证:JE2KF=定值。

AEBPC04032101FOJKBCPF04032102E

(同样,可以证明△EJC∽△BKF。其中∠EJC=∠BKF=2∠A,另两组对应角亦不难说明其相等。由此JE2KF=BK2CJ=AK2AJ=bc/(4cosA)。)

利用上述两三角形相似,还可编出如下一题:“设P为△ABC外接圆上任意一点,CP的延长线交AB的延长线于E点,BP的延长线交AC的延长线于F点。AC的垂直平分线交AB于J,AB的垂直平分线交AC于K。求证:CE2∶BF2=(AJ2JE)∶(AK2KF)。” 事实上,此图中还蕴含进一步信息:如下左图,设D是外接圆B,C处切线的交点(即旁类似重心),则DJ∥AC,DK∥AB。且在B,J,O,K,C,D六点所共圆中,(注:《梁绍鸿》中有一个习题提到B,J,O,K,C五点共圆,见习题十六№10。)JK,BD,CD三条弦相等。记其圆心为M(即OD的中点),则M对这三条弦的张角均为2∠A;M至这三条弦的距离均为

122

R。

上述现象还有一个解释:当A点在外接圆上移动时,直线JK的包络是以M为心的圆,其大小为外接圆之半。

AAOJKJOKBMCEBPCD04032103DF

04032104

由Pascal定理的特例不难说明图中的D点和上图中的E,F三点共线。加上DJ∥AC,DK∥AB,就可给出上面推广的另外一种证法:EJ∶JA=ED∶DF=AK∶KF(见上右图)。

设I1是BC边外的旁心。类似于04032103图,过I1作I1E∥AC交AB于E,作I1F∥AB交AC于F。不难确定外心O到直线EF的距离为BS/2(其中,S是弧BC的中点)。也即当A点在外接圆上移动时,直线EF的包络也是圆,以外心O为圆心,其大小为SI之半。

其实,这个结论近乎平凡,它是“鸡爪定理”(SI=SI1=SB=SC)的直接推论。

AAOECBFSEIOIF04032105BCS04032107I1

类似地,过内心I作平行线IE和IF,则O到EF的距离仍是SI之半(见上面右图)。 但如过类似重心K作这样的两条平行线KE和KF,则直线EF之包络就是像下面左图所示的馒头曲线了。

AAEFEOFH04032108BKCBCO'

当取垂心H时,结论十分有趣:EF的包络是一个椭圆——以底边BC为短轴,以外心O为一个焦点,该椭圆的长轴等于外接圆的直径(见上面右图)。

而当取九点圆心时的情形则更为有趣:EF的包络是二次曲线,以BC的垂直平分线为长轴,以OM的中点为中心(M是BC中点),而且该二次曲线的长轴与外接圆的直径之比为3∶4。

当∠A等于30°时,此时椭圆恰以O,M为焦点;当∠A在40°左右时,二次曲线成为圆。注意,这条二次曲线并不总是过B,C两点的:当∠A小于某一临界角(约36°左右)时,该二次曲线过B,C两点;一旦大于临界角,就不过B,C两点了。

当∠A大于120°时,包络就变为双曲线。但它的离心率如何刻划呢?

Am?BOC = 64.68?EFONi04032109BMC 这个图形奥妙无穷,还有待继续研究。

最为有趣的是九点圆心Ni关于EF的轴对称点的轨迹。它有时像一只苹果(不知会否成为心脏线?),有时像一只柠檬,有时像一只芒果,有时又像一只葫芦。真是变幻莫测!

AFEOONiCC04032110BANiB

AANiFBOC04032110EONiCB

【040329】3月26日(五)晚考虑了如下轨迹:

设∠XOY是定角,P是平面上动点,P在OX,OY上的射影分别为A,B。 最简单的情形是:

模式0 使线段AB的长度为定值之P轨迹,是以O为中心的圆。

备考:《梁绍鸿》习题十№6:“过圆上任意一点向固定的两直径作垂线。求证两垂足的距离为定长。”

模式1 使△OAB的面积为定值之P轨迹,是以O为中心,垂直于OA,OB的两直线为渐近线的双曲线。

OAPB04032601XY 模式2 使四边形OAPB面积为定值之P轨迹,是以O为中心的等轴双曲线。

OAPB04032602XY

3月28日(日)又继续考虑如下轨迹:

模式3 使△OAB的周长为定值之P轨迹,也是双曲线,以顶点O为一个焦点。其中心是△OAB的曼海姆(Mannheim)圆的圆心M。

注:当△OAB的周长为定值时,底边AB的包络是一个圆(即△OAB的旁切圆是个定圆);△OAB的外接圆的包络也是一个圆,称为Mannheim圆,记为⊙M,它也嵌于∠XOY内,其切点连线恰好经过△OAB的旁心。旁切圆⊙I与Mannheim圆⊙M之比为cos2A2。

备考:《梁绍鸿》总复习题№39:“设A是定圆⊙I外的定点,过A作⊙I的切线AX,AY,又任意作切线交AX,AY于B,C。则△ABC的外接圆常切于某一定圆。”(Mannheim定理)

OBAPIM04032801XY


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