复数思想在平面几何中的应用

巡山小妖精
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2021年02月16日 18:32
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breather-

2021年2月16日发(作者:情义无价原唱)


复数思想在平面几何中的应用



一、基本思想



用复数解几何问题的重 要依据是复数的向量表示。凡是能用平面向量运算能解的题目,也一定可以用


复数运算来 求解,而且由于复数乘法用来实现向量的旋转,比向量解法显得更简便,使一些问题几乎只留

下直截了当的计算,而不必多费脑筋。解题的关键在于熟练掌握复数运算的几何意义。



二、复数的表示及常用结论



(< /p>


1



复数


z



x



yi


与复平面上的点


(


x


,


y


)


建立一一对应。


|


z


|


表示点


z


到原点的距离,给定复数


z


,以


原点为起点,以


z


为终点作向量< /p>


oz


,在复平面上,复数


z


也可与向量


oz


建立一一对应。因此,我们在应


用中记号


z


同时可表示复数


z


、点


z


,以及向量


oz


而不加以区别。




2



z


< /p>


r


(cos




i


sin



)



re


i


< /p>


是复数表示的三角形式及指数形式。


r



|


z


|




是实轴正向到向量


oz

< br>的


旋转角,有无穷多个值,规定


0





2



时,称为辐角主值,记为


arg


z





3



复数加减法与平面向量加减法的平行四边形法则一致。


|


z


1


z


2


|


表示


z


1



z


2


间的距离,且有不等式


z


1

< p>


z


2



z


1



z

2



z


1



z


2


。前(后)一个不等式成立的充 要条件是


z


1



z


2


反(同)向。




4



复数乘法的几何意义是 向量的旋转和伸缩,具体地为




z< /p>



e


表示将向量


oz


旋转



角。




z




(




R


)


表示将


z


伸缩到 原来的



倍。




5


)定比分点公式




z


1


< br>z


2


是直线


l

< br>上的两个定点,




R



z



l


上任一点,且



i



z


1


z


< p>


,则



z


1


z


2


z

< br>


(1



)


z


1




z


2


,特别地,线段


z


1


z


2

的中点


z




ABC


重心


G

< br>


z


1



z


2




2


A



B



C


,且由此得



3


z


1


,


z


2


,


z


3


共线



存在不全为零的实数


1


,



2


,



3


使< /p>



1




2




3

< p>


0




1


z


1



2


z


2




3


z


3< /p>



0


.



z


1


,


z


2


,


z


3




线


< br>且







1


,



2


,



3







1




2




3

< br>


0




1


z


1




2


z


2




3


z


3



0





1



< br>2




3


.



6


)三角形的面积公式





z

< p>
1


z


2


z


3


是复平面上一个正向三角形(


z

1


,


z


2


,


z


3


按逆时针方向绕行)

< p>
,则




1

< p>
S



z


1


z


2


z


3


1


Im(


z

1


z


2



z


2


z


3


< /p>


z


3


z


1


)



2


证明:


如图



因为




ar g


z


3



z< /p>


1


z



z


1


,所以


e


i




3


z

< p>
2



z


1


z


2



z

1


z


3



z


1


|


z


2< /p>



z


1


|


(


z


3


< p>
z


1


)




z


2


z


1


|


z


3



z


1


|< /p>


(


z


2



z


1


)


S

< p>



1


1


|


z


2


z


1


|



|


z


3



z< /p>


1


|



sin< /p>




|


z


2



z


1

< p>
|



|


z


3



z


1

|



Im(


e

i



)



2


2



|


z< /p>



z


|


(


z



z


)

< p>
1


|


z


2



z


1


|


|


z


3



z


1


|


< /p>


Im


2


1


3


1



2


|


z


3



z


1


|


(


z

< br>2



z


1


)


(


z



z


)



1




Im



|


z


2



z

< p>
1


|


2


3


1



(


|

z


|


2



zz


)



2



(


z


2



z


1


)




1


Im[(


z


2



z


1

< p>
)(


z


3



z


1


)]



2


1



Im(


z


1


z


2


z


2


z


3



z


3


z< /p>


1


)



2


由该结论,又有


z


1


,


z


2


,


z< /p>


3


共线



z


1


z


2



z


2


z


3



z


3


z

< br>1



R


.


7



n



n


次单位根将原点为圆心的单位圆


n


等分,



z



1


的根为



0



1,



1< /p>



e


以原点为圆心的单位圆的内接正


n


边形的顶点,且有


n


i


2



n


,


,



n< /p>



1



e


i


2(


n



1)



n


< p>


1


2




2


,


1


3




3


,


,



1< /p>


n



1




n



1

< p>
.



8




z


1


z

< br>2


z


3


为正向正三角形的充要条 件是:



z


1



z


2



< /p>


z


3




0


,其中




e


2


2


i

< p>
2



3


是一个

< p>
3


次单位根。



1





< p>


0




2



u


z

1



uz


2



z


3



0


,其中


u



e


3


.



< /p>



u


2



u



1


,

< p>
u


3




1








z


1


z


2


z< /p>


3








< p>





z


1


z


2


z


1


z


3





有< /p>





i





< p>


3


z


3



z


1


(


z


2



z


1


)


e


3< /p>



(


z


2



z


1


)

< p>
u




由此可得




(


u



1


1< /p>


z


)



u


2


z



2

< p>
2


u



1



u


,又


< br>z



0


3


i



故上式写为


< br>u


z


1



uz


2



z


3



0


.


另 外,由此式反推回去可证明



z


1


z


2


z


3


为正向正三角形。





9



复平面上任意三点不共线的四点


A



B



C



D


形成平行四 边形



A



C



B



D


(即对角线互相平分)


.





2


三、例题分析




1



延长△


ABC


的三边


BC


CA



AB


A




B




C


< /p>


,使


CA



:< /p>


BC



AB


< /p>


:


CA



BC< /p>



:


AB


. < /p>


证明:



ABC




A



B< /p>



C



有相同的 重心。













证明:



CA



:< /p>


BC



AB


< /p>


:


CA



BC< /p>



:


AB





由定比分点公式有

A




(1




)


C




B



B




(1




)


A


< p>


C



C




(1


< br>


)


B




A





A




B




C




A



B



C


,从而重心坐标相同。

















2


凸四 边形对边中点的连线叫做此四边形的中位线。


若某凸四边形两中位线长度之和等于周长之 半,





此 四边形为平行四边形。


(1980


年苏联列宁格勒数学竞赛试题


)




< /p>


证明:


设此四边形的四顶点的复数表示为


A



B



C< /p>



D


,利用中点公式,则题目的条件是< /p>



A



B


C



D


B

< p>


C


D



A


1





(|


A



B


|



|


B



C


|



|


C



D


|



|


D



A


|)



2


2


2

2


2


于是



(


A



D


)



(


B



C


)



(


B



A


)



(


C


< br>D


)



|


A



B


|



|


B



C


|



|


C



D


|



|


D



A

< br>|



由此可见,在下列不等式



(


A



D


)



(


B



C


)



A



D


< br>B



C





3


(


B



A


)


< /p>


(


C



D


)



B


< p>
A



C



D




中均应成立等号,这必须且只须



A< /p>



D




(


B



C

< p>
)



B



A




(

C



D


)


,其中




0,




0



由此得



A



D




(


B



C


)



A



B




(


D

< br>


C


)




我们得出等式



D




(


B


C


)



B




(


D< /p>



C


)





(




1)


B



(




< p>
)


C



(1




)


D

< br>


0




(




1)



(




< /p>


)



(1




)



0


,且


B



C

< p>


D


不共线,从而






1


,故


DA



CB





ABCD


为平行四边形。







3



P


为正方形


ABCD


内一点,


BMNP



APEF


都是与< /p>


ABCD


有相同转向的正方形。



求证



AM


//


FC



AM



FC


.









证明


:设


P


为复平面的原点,由


BM


< p>
i



BP


,


AP



i



AF


,


BC



i



BA


< br>


M



(


i



1)


B


,


F



(1



i


)


A


,


C



(


i



1)


B


< p>
iA




4

< p>


AM



M



A



B

< br>(


i



1)


A



FC



C



F



(


i



1)< /p>


B



iA



(1



i


)


A



(


i

< p>


1)


B



A




AM



FC


,故


AM


//


FC



AM

< p>


FC


.


















4



以四边 形


ABCD


的各边为斜边向外作等腰直角三角形


ABP



BCQ


< p>
CDR



DAS.


求证



RP



QS



RP



QS .










A



B


A



B



i



2


2


C

< br>


D


C



D


B



C


B



C


D



A


D



A



i



Q




i


< br>S




i




同理可得


R



2


2


2


2


2


2


证明


:由



PB



i



PA





P



计算


< /p>


A



B



C



D


A

< p>


B



C



D



i


2


2


D



A



B


< /p>


C


D



A



B



C

< p>
QS



S



Q




i

< br>


2


2


RP


P



R




QS



i



RP


,故


R P



QS



R P



QS.




















5



87


年全国


MO




如图,



ABC




ADE


是两个不全等的等腰直角三角 形,



B




D



90


,现 固



5

breather-


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