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什么是斯坦纳问题?如何证明斯坦纳问题?

(2009-08-16 22:57:14)
标签:

教育

分类: Math

什么是斯坦纳问题?如何证明斯坦纳问题? http://imgcache.qq.com/ac/b.gif

高卫杰    发表于2009年02月09日 09:41 阅读(8) 评论(0) 分类: Math 权限: 公开
http://imgcache.qq.com/ac/b.gif
http://imgcache.qq.com/ac/b.gif
斯坦纳问题:如果一个三角形的两个内角的平分线相等,那么这个三角形是等腰三角形。
已知在△ABC中,BE和CF是∠ABC和∠ACB的平分线,且BE=CF。
求证:AB=AC。

思路1:首先要构造一个△BED与△FCB全等,其次,要用角边边证明一对钝角三角形全等:△DBC≌△CED;(ASS)第三步:根据边边边公理证明△BCF≌△CBE;虽然是一个3步题,但却是一道世界难题。
证明1:如图8-29甲所示,以BE为边作∠BED=∠BCF,再截取ED=BC,连DB、DC。
在△BED和△FCB中;
  DE=BC;
∠BED=∠BCF;                                    

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  BE=CF;
∴  △BED≌△FCB;(SAS)
∴  BF=BD;∠BFC=∠DBE;
∵  ∠DBC=∠DBE+∠EBC=∠BFC+∠EBC
=180°-∠ABC -∠ACB+∠ABC;
=180°-∠ABC -∠ACB;
=180°-(∠ABC +∠ACB);
=180°-(180°-∠BAC);
=90°+∠BAC;
∠DEC=∠DEB+∠BEC=∠BCF+∠BEC
=∠ACB+(180°-∠ACB-∠ABC);
=180°-∠ACB-∠ABC;
=180°-(∠ACB +∠ABC);
=180°-(180°-∠BAC);
=90°+∠BAC;
∴  ∠DBC=∠CED>90°;
在△DBC和△CED中;
  ∠DBC=∠CED>90°;
   DE=CB;
   DC=DC;
∴  △DBC≌△CED;(ASS)
∴  DB=CE;
在△BCF和△CBE中;
   DB=CE;
   BC=CB;
   BE=CF;
∴  △BCF≌△CBE;(SSS)
∴  ∠FBC=∠ECB,AB=AC;
结论:我们分析一下该证法:在△BCF和△CBE中,已经有两个条件成立:BE=CF、BC=CB,要证明它们全等,用SAS公理必须使∠FBC=∠ECB,那么,AB=AC已经成立,看来此路不通;用ASA公理和AAS定理更不行,因为你放弃了一个已知的边相等的条件;用ASS也没有可能,因为这两个三角形都不是钝角三角形,看来只有一条路可走用SSS公理。那么该证法中构造△BED与△FCB全等是一个创举,证明△DBC≌△CED(ASS)是一个奇迹,因为用角边边证三角形全等,这是我们第一次见到。

思路2:根据三角形内心的性质,构造与△ABC面积相等的两个三角形△CFH和△BEG;(ASS)第三步:根据边边边公理证明△BCF≌△CBE;虽然是一个3步题,但却是一道世界难题。
证明2:如图8-29乙所示,
在BC的延长线上截取CG=BA,连OG,EG。
在CB的延长线上截取BH=CA,连OH,FH。
∵  BE、CF是△ABC的角平分线,BE=CF,BE与CF交于O,
∴  ⊙O内切于△ABC
过O作OD⊥BC于D,则D为切点。
∴  AC+BD=AB+CD  (切线长定理)                
http://b12.photo.store.qq.com/http_imgload.cgi?/rurl4_b=b22aefa0aa311b4cccf823c4da5d9b9704dfb77cb438a4460080212ce27f018ccac162b4b0245ea1bd2f034c70fef100a74193ab3f318a9ab11703b8c0d45459c61d879b9efffde07fbaa93beeb30a2eb524aad6


∴  HB+BD=GC+CD;
∴  HD=DG;
∴  OH=OG;
∴  ∠OHG=∠OGH;     (1)
∵  BE是∠ABC的平分线;
∴  E到AB、CG上的距离相等;
∵  AB=CG;
∴  S△ABE=S△ECG;
∴  S△ABC=S△BEG;
∵  CF是∠ACB的平分线;
∴  F到AC、BH上的距离相等;
∵  AC=BH;
∴  S△AFC=S△FBH;
∴  S△ABC=S△CFH;
∴  S△BEG=S△CFH;
过H作HM⊥CF的延长线于M,过G作GN⊥BE的延长线于N;
则HM=GN;
在Rt△OMH和Rt△ONG中;
HM=GN;
∠OMH=∠ONG=90°;
OH=OG;
∴  △OMH≌△ONG;(HL)
∴  ∠HOM=∠GON;
∵  ∠HOM=∠OHG+∠ACB;
∠GON=∠OGH+∠ABC;
∴  ∠ABC=∠ACB;
∴  AB=AC;
结论2:对于证法1,日本数学家秋山武太郎说:“确实是巧妙的直接证明,今后恐怕不会有更高明的证法了?”你们大家说说看:证法2是不是更好理解一些呢?

思路3:用反证法。因为AB≠AC,所以AB>AC,或者AB<AC。由此推导出BD>CE或者BD<CE。这个矛盾的结论。
证明3:∵  AB>AC;
∴  ∠ABC<∠ACB;
∵  BD是∠ABC的平分线;
CE是∠ACB的平分线;
∴  ∠ABD<∠ACE;

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过B、E、C三点的作圆与BD交与F,连CF。
则B、E、F、C四点共圆。
∴  ∠EBF=∠ECF;
∴  ∠ECF<∠ECD;
∴   BF<BD;
又∵  ∠BCF><∠EBC;
  ∠BCF=∠BCE+∠ECF=(∠ABC+∠ACB)
=(180°-∠BAC);
=90°-∠BAC<90°;
∴   BF>CE;(在同圆中,等弧对等弦对等圆周角,等圆心角。如果圆周角是锐角,则大角所对的弦大。)
∴   BD>CE;
这与BD=CE相矛盾。
所以AB>AC不成立。
同理AB<AC也不成立。
故:AB=AC。

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