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再探平面几何问题向立体几何中的移植
文[1]中以类比的方法介绍了从平面几何向立体几何的移植原则,并以此论证了9对平面几何——立体几何命题,本文将对[1]的移植原则稍做加工改造、重新布局,实现较强的类比效应,即
下面我们运用上述的新的移植原则,继续探索一些平面几何与立体几何命题的关系问题.这可作为前述文[1]的完善和续补.
为证明立体几何命题的需要,我们先引如几个结论和记号。
下文中,在没有特殊说明的情况下,用V表示四面体P——ABC的体积,表示以AB为棱的二面角的大小的正弦值,表示∠BAC的正弦值,AB表示线段AB的长,表示四面体P——ABC的顶点A所对△PBC的面积等。
结论1。在四面体P——ABC中,求证:
(1)
证明:如图1,做PO⊥面△ABC于O,PD⊥AB于D,连OD,则OD⊥AB,所以,∠PDO为二面角P——AB——C的平面角,故
同理可求得四面体P——ABC的另外几种以从A出发的用棱所表示的体积公式:
(2)
(3)
比较(1)、(2)、(3)可得
结论2。 同结论1的条件可得:
称为四面体A——PBC的关于顶点A的第一种空间角。
结论3。同结论1的条件可有:
证明:由结论1知
;
两式相乘得
整理便得欲证结论。
由结论3易知
结论4 。同结论1的条件可有:
称为关于四面体B——PAC的顶点B的第二种空间角。
结论1——4见文[2]、[3]。
结论。 在共顶点P的两个四面体P——ABC与P——中,若P、、A;P、、B;P、、C分别三点共线,则
。
直接应用结论1即可证得上式。略。
问题1。(平面几何)设M是线段AB上一定点,P对AM、BM的张角分别为α、β,则 。
这是平面几何中的较为有名的张角定理,其证明是典型的面积法,由此可证
。
这是平面三角中的正弦和角公式。
(立体几何)(四面体中的张角定理)设M为四面体P——ABC的△ABC内部任意一定点,记P——MBC、P——MCA、P——MAB中关于P的第一种空间角分别为,则
。
证明:记四面体P——MBC、P——MCA、P——MAB的体积分别为,PA、PB、PC、PM的长分别记a、b、c、m,由结论1知
两边同除以便得欲证结论。
在本题中,若PM⊥面 ABC,并记PM与PA、PB、PC所成角分别为,则有 。 (*)
这可视为空间四面体中的正弦和角公式,其证明类似于上面平面上的正弦和角公式。
问题 2 。(平面几何)设AM是△ABC的边BC上的中线,任做一条直线分别交AB、AC、AM于P、Q、N,求证:。(1978年辽宁高中数学竞赛)
证明:如图4,分别在△ABC和△APQ中运用平面几何中的张角定理,有
(1) (2)
又 AM平分△ABC的面积,所以 ,
亦即 ,即
(3)
(2)÷(1)并应用(3)有
。
:设M为P——ABC的地面△ABC的重心,任做一截面交三侧棱PA、PB、PC及PM于,求证: 。
证明:分别在P——ABC和中运用四面体中的张角定理有
(1)
(2)
注意到M为△ABC的重心,所以, ,对上式运用结论1,有,∴ (3)
(2)÷(1)并运用(3)得 。
这便证明了结论。
立体几何命题的证明与平面几何命题的证明是如此的和谐统一。
问题 3。(平面几何)过△ABC的重心G任做一条直线,将△ABC的面积分成两部分,求证;这两部分之差的绝对值不超过△ABC的面积的九分之一。(1978年安徽芜湖市高中数学竞赛试题)
证明:连AG并延长交BC与M,则MA为BC边上的中线,设所求直线为,则由问题2的平面几何中的结论有
,∴ ,
∴ 分别表示△AH和△ABC的面积)。
:如图5,设为四面体PABC的重心,过任做一截面交三侧棱PA、PB、PC于,则将四面体PABC分成两部分之差的绝对值不超过四面体PABC体积的。
证明:由四面体重心性质及问题2中立体几何命题结论,知
(1)
表示三棱锥的体积)
所以, ,∴, (2)
(1)等号成立的条件为 ,即面,从而(2)等号成立的条件为 是的重心。
问题4。(平面几何)设 为锐角内部一定点,过做一直线交的两边于,问直线满足什么条件时,的面积最小?
解:延长至M,使得,如图7,过M做线段AB交 的两边于 A、B,使AM=MB,,则△PAB的面积为定值。为△PAB的重心,由问题3的平面几何命题的
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