平面几何基础知识教程

萌到你眼炸
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2021年02月16日 17:43
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水浒传第八回-

2021年2月16日发(作者:一公升眼泪)


平面几何基础知识教程(圆)



一、



几个重要定义



外心:三角形三边中垂线恰好交于一点,此点称为外心



内心:三角形三内角平分线恰好交于一点,此点称为内心



垂心:三角形三边上的高所在直线恰好交于一点,此点称为垂心



凸四边形:四边形的所有对角线都在四边形


ABCD

< p>
内部的四边形称为凸四边形



折四边形:有一双对边相交的四边形叫做折四边形(如下图)



(折四边形)



二、



圆内重要定理:



1


.



四点共圆



定义:若四边形

< p>
ABCD


的四点同时共于一圆上,则称


A


,


B


,


C


,


D


四点共圆


< p>
基本性质:若凸四边形


ABCD


是圆内接四边形, 则其对角互补



证明:略



判定方法:



1


.定义法:若存在一点


O


使


OA=O B=OC=OD


,则


A


,


B


,


C


,

< br>D


四点共圆



2


.定理


1


:若凸四边形


ABC D


的对角互补,则此凸四边形


ABCD


有一外接圆



证明:略



特别地,当凸四边形


ABCD


中有一双对角都是


90


度时,此四边形有一外接圆



3


.视角定理:若折四边形


ABCD

< p>
中,



ADB




ACB


,则


A


,


B


,


C

< p>
,


D


四点共圆




1



证明 :如上图,连


CD


,


AB


,设


AC


与


BD

< p>
交于点


P


因为



ADB




ACB< /p>


,所以



Δ


CP B


∽


Δ


DPA


PC


PB



PD


PA


再注意到



CPD




BPA


所以有


因此


Δ


CPD


∽


Δ


BPA


因此



PCD




PBA


由此



BCD




BAD




BCA




PCD




BAD



BDA



PBA



BAD



180


(Δ


ABD


的内角和)


因此


A< /p>


,B,C,D四点共


圆



特别地,当



ADB




ACB


=90


时, 四边形


ABCD


有一外接圆



2


.圆幂定理:


圆幂定理是圆的相交弦定理、切割线定理、割线定理、切线长定理的统一形式。


< /p>


相交弦定理:


P


是圆内任一点,过


P


作圆的两弦


AB


,


CD


,则


PA



PB



PC



PD




证明:




2


连


AC


,


BD


,


则



CAB




CDB


( 等弧


对


等


圆


周 角)


而



APC




DPB


(


对顶


角相等)


因此


Δ


APC


∽


Δ


DPB

< p>
PA


PC


即


< p>
,因此


PA



PB



PC



PD


PD


PB



(切)割 线定理:


P


是圆外任意一点,过


P


任作圆的两割(切)线


PAB


,

< p>
PCD


,


则


< p>
PA



PB


< p>
PC



PD




证明方法与相交弦定理完全一样,可仿前。


< br>特别地,当


C


,


D


两点重合成为一点


C’


时,割线

PCD


变成为切线


PC’



而由割线定理,


PA



PB



PC



PD



PC


'


2


,此时割线定理成为切割线定理



而当


B


,


A


两 点亦重合为一点


A’


时,由切割线定理


PC


'


2



P A



PB



P A


'


2



因此 有


PC’=PA’


,此时切割线定理成为切线长定理

< p>


现考虑割线与切线同时存在的情况,即切割线定理的情况:




3


如图,


PCD


是圆的割线,


PE


是圆的切线< /p>



设圆心为


O


, 连


PO


,


OE


,则由切割线定理有:



PC



PD



PE


2


而注意到黄色


Δ


是


R TΔ


,由勾股定理有:



PE


2



PO


2

< p>


OE


2


,结合切割线定 理,我们得到



PC



PD



PE


2



PO


2


< br>OE


2


,这个结果表明,如果圆心


O


与


P


是确定的,那么



PC


与


PD


之积也是唯一确定的。



以上是

P


在圆外的讨论



现在再重新考虑


P


在圆内的情形,


如下图,

< p>
PCD


是圆内的现,


PAB


是以


P


为中点


的弦

< br>



则由相交弦定理有


PA



PB



PA


(因为


P


是弦


A< /p>


B


中点)


=


PC



PD



2< /p>


连


OP


,


OA< /p>


,由垂径定理,


ΔOPA


是


RTΔ


由勾股定理有



PA


2



OA


2< /p>



OP


2


,结合 相交弦定理,便得到




4


2


PA



PB



PA


(因为


P


是弦


A


B


中点)


=


PC



PD



OA


2



OP


2



这个结果同 样表明,当


O


与


P

是固定的时候


PC


与


PD


之积是定值



以上是


P


在圆内的讨论



当

P


在圆上时,过


P


任作一弦交圆于


A


(即弦


AP


)


,此时



PO


2



OA


2



0


也是定值



综上,我们可以把相交弦定理,切割线定理,割线定理,切线长定理统一起来,


得到圆 幂定理。



圆幂定理


:


P


是圆


O


所在平面上任意一点 (可以在圆内,圆上,圆外)


,过点


P


任作一直线交圆


O


于


A


,


B


两点(


A


,


B


两点可以重合,也可以之一和

P


重合)


,


圆

O


半径为


r


2

< br>2


则我们有:


PA


< p>
PB



|


PO

< p>


r


|



由上面我们可以看到,当


P


点在圆内的时候,


PO



r


< p>
0


,此时圆幂定理为


相交弦定理

< br>


当


P


在圆上的时候,


PO



r


< p>
0



当


P


在圆外的时候,


PO



r



0


此时圆幂定理为


切割线定理


,


割线定理


,或


切线长定理



以下有很重要的概念和定理:根轴



先 来定义幂的概念:从一点


A


作一圆周上的任一割线,从


A


起到和圆周相交为


止的两线段之积,称为点对 于这圆周的幂



对于已知两圆有等幂的点的轨迹,是一条垂直于连心线的直线。



根轴的定义:两圆等幂点的轨迹是一条直线,这条直线称为两圆的根轴

< br>


性质


1


若两圆相交,其根轴就是公共弦所在直线


2


2


2


2


2


2



5


由 于两圆交点对于两圆的幂都是


0


,所以它们位于根轴上,而根轴 是直线,所以


根轴是两交点的连线



性质


2


若两圆相切,其根轴就是过两 圆切点的公切线(即性质


1


的极限情况)



性质


3


若三圆两两不同心,则其两两的根轴交于一点,或互相平行



所交的这点称为根心



证明:


若三圆心共线,


则两两圆的根轴均垂直于连心线,


因此此时两两的根轴互


相平行



若三 圆心不共线,


则必成一三角形,


因此两两的根轴必垂直于两两的 连心线。


如


图,设


CD


与


EF


交于点


O


,连


AO


交圆分


O2


圆


O3


于


B’,B’ ’


,则



OA



OB


'



O E



OF



O C



OD



O A



OB


''


其中前两式是点


O


对圆


O2

< p>
的幂,后二式是


点


O


对圆


O3


的幂,中间是圆


O


对圆


O1


的幂进行转化



由此


B’


与


B’’


重合,事实上它们就是点


B


(圆


O2


与圆


O3


的非< /p>


A


的交点)


,由此


两两的根轴共点




圆幂定理是对于 圆适用的定理,今使用圆幂定理对圆内接四边形判定方法的补


充:




6


圆内接四边形判定方法



4

< p>
.相交弦定理逆定理:如果四边形


ABCD


的对角 线


AC


,


BD


交于点


P


,且满足


< br>PA



PC


< br>PB



PD


,则四边形


ABCD


有一外接圆



5


.切割线定理逆定理:如果凸四边形


ABCD


一双对边


AB


与


DC


交于点


P


且满足


PA



PC



PB



PD


,则四边形

ABCD


有一外接圆



这样我们就补充了两种判定方法



< /p>


例(射影定理)


:


RTΔABC


中,


BC


是斜边,


AD


是斜边上的高



则



(1)


A D


2



BD



CD


(2)


AB


2



BD



BC


(3)


AC


2


CD



BC


证明:



如图,延长


AD


至


A


'


,使


A


D


=


D


A


'

,连


A


'


B


,


A


'


C


则


Δ


A


B


C



Δ


A


'


B


C


,


因此

< p>


BAC



< p>
BA


'


C



180


(


1


)


因此


A


,


B


,


C


,


A

'


四点共圆


由相交弦定理有:


< /p>


AD



DA


'< /p>



AD


2



BD



CD



7


(


2


)< /p>


(


3


)


(2)( 3)


同理,


现证


(3)


作


RT


Δ


ADB


的外接


圆


,


则


RT


Δ


ADB


的外接


圆圆


心


为


E


其中


E


是


AB


的中点


则


EA



AC


,因此


AC


是< /p>


圆


ABD


的切


线


由切割


线


定理有


CA


2



CD



CB





例


2


:垂心



ΔABC


中,三边所在的高的所在的直线交于一点



证明:



设


BE


与CF交于


H


,


连


AH


延


长


交


BC


于


D

< p>
即


证


AD



BC


因


为



BEC




BFC

< p>


90


,因此


B


,


F


,E,C四点共


圆


同理


A


,F,H,E四点共

< p>
圆


所以



BHD



180




AHF




BHF



180




AEF




EHC



180




B




A




C


因此


H


,


D


,

< p>
E


,


C


四点共

< p>
圆


由此



HDC



90



< p>
3


.


Miquel


定理< /p>



之前


1


,


2


的重要定理都是讨论关于点共圆的情况。那么反过来,圆共点的情 况



8


又如何?



从最简单的开始了解,在本 文之后讨论圆共点问题中,甚至其他类型的问题,


Miquel


定理都给予莫大的便利,我们将要不止一次地用到它。



先看一个事实:



< br>如图,


ΔABC


中,


AD


,


BE


,


CF


分别是三边上的高,则分别以


AEF


,


BDF


,


CDE


作< /p>


圆



这三个圆共于一点,而且可以通过观 察,这个点就是垂心刚好是


AD


,


BE


,


CF


的


交点



在介绍


Miquel


定理之后,我们将会给这题与垂心一个阐释



Miqu el


定理


:


ΔABC

< br>中,


X


,


Y

,


Z


分别是


直线

< br>AB


,


BC


,

< br>AC


上的点,则



AXZ


,


BXY


,


CYZ< /p>


共


于


一


点


O



这样的点


O


称为


X


,


Y


,


Z


对于


ΔABC< /p>


的


Miquel


点




9


证明:



如


图


,


设


AXZ


与


BXY


交于


O


,


连


OX


,


O Y


,


OZ


即


问 题转


化


为证


O


,


Z


,


Y


,< /p>


C


四点共


圆


因< /p>


为


A


,


X


,O,Z与B,X,Y,O


为两组


四点


圆


则



AZO



180




AXO



BXO


< /p>


180




BY O




OYC


即



OZC




OYC



180

因此


O


,


Z


,


Y


,


C


四 点共


圆



事实上这个证明隐含着对一般证圆共点的方法



在发掘


Miquel


定理的证明方法时可以得到一种更 一般的证题方法



注意这个证明只在


X


,


Y


,


Z


在


AB


,


BC


,


AC


边上


时可以



当在直线


AB


,


BC


,


AC


上时需要改一下,这里略去了。



现在回到之前关于垂心的问 题。


为什么


D


,


E


,


F


关于


ΔABC


的


Miquel


点就是


ΔABC


的垂心




证明:



如


图


,


AD


,


BE


,


CF


是


Δ< /p>


ABC


的三条高,垂心


为


H


,


则


A

,


E


,


F


,


H


B


,


D< /p>


,


F


,


H


C


,


D


,

< p>
E


,


H


共三


组


四点共


圆


由此可


见


AEF


,


BDF


,


CDE


共于一点


H


而


H


就是垂心




有了


Miquel


定理,我们可以对垂心有一个新的看法




10


HD


是


BDF


与


CDE


的根

< br>轴


对


HE


,

HF


同理


而


ADB




ADC



90


因此


BDF

< p>
与


CDE的


连


心


线


平行于


BC


(中位< /p>


线


定理)


因此


H D


垂直于


BC


HE

,HF同理


因此垂心可以被


认为


是


这


三


圆


的根< /p>


轴


的交点(根


轴


性


质


3


)



用同样的方法可以对内心,外心以同样的解释:




由此可见,


共点圆与三角形的特殊点 有很大的关系,


上述


3


种只是最简单的 最容


易发现的



提起外心就会联想到外 接圆,这里不得不提一个常用定理:正弦定理



正弦定理


:


ΔABC


中,外接圆半径

< br>R


,则



BC

< br>AC


AB



< br>


2


R



sin


A


sin


B

< br>sin


C


证明:





11


作 直径


AOD


,连


BD


则



ABD



90


,



ADB




ACB


因此在


Rt


Δ


ABD


中


AB


AB




AD



2


R


sin



ADB


sin


C


其余同理



想到三角函数里面的函数名,那么自然会想到余弦定理



余弦定理


:



Δ


ABC


中


AB=c,AC=b,BC =a


a


2



b


2



c


2



2


bc


cos< /p>


A


b


2



a


2



c

< p>
2



2


ac


cos


B


c


2



b


2


< br>a


2



2


ab


cos


C





证明:



作


BC


边


上的 高


AD


CD



AC



cos


C



b


cos


C


BD



BC



CD



a



b


cos


C


因此


AB


2



BD


2



AC


2



CD


2


即


c


2



(


a



b


cos


C


)


2



b


2



(


b


cos


C


)


2


即


c


2


< br>a


2



b


2



2


ab


cos


C


其余同理


c

< br>2



a


2



b


2


cos


2


C



2


a b


cos


C



b


2



b


2< /p>


cos


2


C



接着便就是著名的费马点,它也与共点圆有关系



费马点,即


ΔABC


内一点,使其到三顶点距离之和 最小的点



当


ΔABC


任一内角都


<120


时,费马点存在于内部,当


Δ


有一内角


>=120


时费马


点与此角顶点重合




12



设


Δ ABC


中任一内角均


<120


,则费马 点


F


可以通过如下方法作出来:



分别以


AB


,


AC


,


BC


向外作正


Δ


,连接对着的顶点,则得



事实上 ,点


F


是这


3


个正


Δ


的外接圆所共的点


< p>
而


FA+FB+FC


其实就是顶点到对着的正


Δ


顶点的连线的长



而且之后将会有一种方法计算


FA+FB+FC


的长度



而这将会在之后进行讨论




4


.


Sim son


定理




Simson


定理是常用而且著名的定理,多用于证明点共线,其逆定理也成立




13


Sims on


定理:


P


是


ΔABC


外接圆上一点,过点


P


作< /p>


PD


垂直


BC


,


PE


垂直于


AB


,


同理


PF


则

D


,


E


,


F


是共线的三点



直线


DEF


称为点


P


关于


ΔABC


的


Simson


线



引理(完全四边形的


Mique l


定理


)


:四条直线两两交于


A


,


B


,


C


,


D


,

< br>E


,


F


六点


则


ABF


,

BCE


,


CDF


,


DAE


共点



BCE


,


CDF


,


DAE


共点


先从


Δ


ABF


对


E


,


C


,


D


三点


运


用密克定理,


则


Δ


D AE


对


B


,


C


,


F


三点


运< /p>


用密克定理,


则


因此

ABF


,


BCE


,


CDF


,


DAE


共点


ABF


,


BCE


,


CDF


共点



其中 所共的点叫做完全四边形的


Miquel


点


证明:这里运用


Miquel


定 理作为证明



设


PD

< br>垂直


BC


,


PE


垂直


AB


,延


长


DE


交


CA


于


F


则问题


等价于


证


明


PF


垂直


AC


连


PF


四


边


形


AFCDBE


是完全四


边


形


所以由完全四


边


形的


Miquel


定理(引理)


ABC


,


BDE


,

< br>AEF


,


CDF


共点

< p>
注意到



PEB




PDB


所以


P


,


B


,D,E四点共


圆


所以


ABC


与

BDE


交于点


P


和B


因此完全四


边


形FACDBE的

Miquel


点非


P


则

< p>
B


而


A


,E,B是同一直


线


上三点


因此


A


,E,F,B不可能共


圆


因此


P


是完全四


边


形FA CDBE的


Miquel


点


由此


P


,E,F,A四点共


圆

则



PFA=90



今逆定理证略



从这个证明我们看到< /p>


Miquel


定理的威力不仅在于圆共点,


而且对于共点圆也同样


适用



在有了


Simson


定理之后,我们可以运用


Simson


定理来给予完全四边形的


Miquel

< p>


14


定理一个新的证明(即前面的引理)




证明:



设


B CE


与


CDF


非


C


的一个交点


为


M

< br>,


过


M


作


MP


垂直


BE


,MQ垂直

< p>
EC


,


BCE


上,由


Simson


定理,


PQR


是共


线


的三点


其余同理。因< /p>


为


M


在


同理


对


Δ


CDF


运


用Simson定理,有QRS也是共


线


的 三点


因此


P


,Q,R,S四点共


线


而注意到


P


,


Q


,


S


是点M


对


Δ


ADE


三


边


的垂直且共


线


欲 Simson定理逆定理,得


A


,M,D,E四点共

< p>
圆


同理


A


,B,F,M四 点共


圆


因此


BCE

,


CDF


,


ADE


,


ABF


共点于


M

< p>


由这个证明,我们可以知道完全四边形的


Miq uel


定理和


Simson


定理是等价 的



能够运用


Simson

< p>
定理证明的必也可用完全四边形的密克定理证明,反之亦然



这样,


Simson


定理便与密克定理产生了莫大的 关联



‘



B C


交圆周于


A’


,

B


‘



直线


A


C


例


.


如 图,


P


为


ΔABC

外接圆上一点,


作


PA


作


P


交


圆周于


B’


,


C’


同理。求证:


AA


’


BB


‘


CC


’




15



证明:设

PA’


交


BC


于

< br>D


,


PB’


交

< br>AC


于


E


,

F


同理,则由


Simson


定理知 ,


DEF


三点


共线


由图形看来,题断三条互相平行的线均与


Simson< /p>


线平行,因此可以试证



连


PB


‘



而注意到


P


,


B


,


D


,


F< /p>


四点共圆,因此



EDB





FDB





PBA





PAA


因此


AA ’


与


Simson


线平行。其余同理< /p>



事实上,


Simson


定理可以作推广,成为


Carnot


定理



Carnot


定理:通过


ΔABC


外接圆上的一点


P


,引与三边


BC


,


CA


,


AB


分别成同向


等角(即



PDB





PEC





PFB


)的直线


PD


,


PE


,


PF


与三边或其所在直线的交点分


别为


D


,


E


,


F< /p>


则


D


,


E


,


F


是共线的三点



可以仿照前面的证明



(


这里的证明也可以运用四点共圆的判定定理与性质,再证


< br>DEF



180


)


证明留给读者,作为习题




5


.


Ptolemy


定 理



本文主要介绍一些平面几何圆中较为重要和常用的定理,而


Ptolemy


定理是一个



16

水浒传第八回-


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