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【数学—几何】拿破仑(三角形)定理的证明和推广

(2007-08-18 21:05:56)
标签:

拿破仑

定理

证明

推广

分类: 趣味数理
在任意△ABC的外侧,分别作等边△ABD、△BCE、△CAF,则AE、AB、CD三线共点,并且AE=BF=CD,如下图。这个命题称为拿破仑定理。

 【数学—几何】拿破仑(三角形)定理的证明和推广

 

 

【数学—几何】拿破仑(三角形)定理的证明和推广以△ABC的三条边分别向外作等边△ABD、△BCE、△CAF,它们的外接圆⊙1 、⊙2 、⊙3 、的圆心构成的△ ——外拿破仑的三角形。⊙1 、⊙2 、⊙ 3三圆共点,外拿破仑三角形是一个等边三角形,如左图。

 

 

 

 

 

 

△ABC的三条边分别向△ABC的内侧作等边△ABD、△BCE、△CAF,它们的外接圆⊙1' 、⊙2' 、⊙3' 的圆心构成的△ ——内拿破仑三角形⊙1' 、⊙2' 、⊙3' 三圆共点,内拿破仑三角形也是一个【数学—几何】拿破仑(三角形)定理的证明和推广等边三角形。如右图。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ⅰ、在△ABC三个角都小于120°时 

 

★ 证法1:首先△ABD、△BCE、△CAF的外接圆交于一点X。(X即费尔马点:
#费尔马点——就是到三角形的三个顶点的距离之和最短的点。
#对于一个顶角不超过120度的三角形,费尔马点是对各边的张角都是120度的点。
#对于一个顶角超过120度的三角形,费尔马点就是最大的内角的顶点。)

连AO1、AO3、XO1、XO3,易知△AO1O3≌△XO1O3,故∠AO1O3=∠XO1O3,连BO2、BO1、XO2,同理可证∠BO1O2=∠XO1O2,于是∠O2O1O3=1/2∠AO1B,由∠AO1B=120°知∠O2O1O3=60°。同理∠O1O2O3=∠O2O3O1=60°,即得证。

 

★ 证法2:在图1中,连AX、BX、CX,则由于O1O2⊥BX,(两圆连心线垂直于公共弦)O1O3⊥AX,于是立即可得到∠O1=60°,同理∠O2=∠O3=∠O1=60°即得证。


※ 类似可证三角形的内拿破仑三角形是正三角形。

 

Ⅱ、在△ABC中角B大于120°时 

作出如下全图

【数学—几何】拿破仑(三角形)定理的证明和推广

 
 ★ 证法:在上图中,首先△ABN、△BCM、△CAP的外接圆交于一点I。连AI、BI、CI,由费马点性质推广后易知角B在小于120°~大于120°的渐变过程中,∠CIA恒为120°,且∠CIB=∠AIB=0.5∠AIC=60°
则  ∵IB⊥12于D,AI⊥23,CI⊥13,(两圆连心线垂直于公共弦)
      ∠HG2=∠IGD,∠1EF=∠IED
∴△2GH∽△DGI,△1EF∽△DEI
∴∠2=∠1=∠CIB=∠AIB=0.5∠AIC=60°
∴∠3=60°
即得证:△123为等边三角形
 
※ 类似可证三角形的内拿破仑三角形是正三角形。
 
 
§拿破仑定理的两种推广(图自己画吧,我不知道用几何画板怎么画):
  定理1 ,以△ABC的三边为底边各向形外作等腰三角形BCD,CAE和ABF,这三个等腰三角形的底角各为α,β和γ,且α+β+γ=90°,则
  ∠FDE=90°-α,∠DEF=90°-β,∠EFD=90°-γ. 


  证明为方便计,把△ABC的三内角简记为A、B、C.因DC=DB,则可将△DCE绕D点旋转∠BDC至△DBG位置,连FG.
  ∵∠FBG=360°-∠DBF-∠DBG
  =360°- (α+β+γ) - (α+C+β)
  =180°-B-C+180°-2(α+β+γ)+β+γ
  =A+β+γ=∠FAE.
  又BG=CE=AE,FB=FA,
  ∴△FBG≌△FAE,FG=FE.
  从而△DGF≌△DEF,∠FDG=∠FDE,
  
  同理∠DEF=90°-β,∠EFD=90°-γ.
  

定理2.在△ABC的外侧作三角形△BCP、△CAQ和△ABR,使∠PBC=∠QAC=α,∠PCB=∠QCA=β,∠RAB=∠RBA=γ,且α+β+γ=90°,则RQ=RP,且∠QRP=2α.
  证明 RB绕R逆时针旋转2α至RG,连BG、AG、QG.
  ∵∠GBA=∠GBR-γ
   =90°-α-γ
  =β
  又RA=RB=RG,
  即R为△ABG的外心,
  

  ∴△ABG∽△ACQ∽△BCP,
  
  又∠BAC=∠GAQ,
   
  
  又∠RGQ=∠AGQ+∠AGR
  =∠ABC+α+γ=∠RBP,
  ∴∠RGQ≌△RBP.
  ∴RQ=RP.
  又因∠GRQ=∠BRP,
  ∴∠QRP=∠GRB=2α.
  值得注意的是,两个定理的证明中综合了不少的基础知识和基本方法,学习这些定理的证明,对提高证题能力是很有益的.在第十七届IMO竞赛中,有一道赛题如下:
  在△ABC的外侧作三角形△BCD、△CAQ和△ABR,使∠PBC=∠QAC=45°,∠PCB=∠QCA=30°,∠RAB=∠RBA=15°.求证:RQ=RP,且RQ⊥RP.

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