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山西太原市高中数学竞赛解题策略-几何分册第17章投影多边形等角共轭点.docVIP

山西太原市高中数学竞赛解题策略-几何分册第17章投影多边形等角共轭点.doc

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第17章 投影多边形 等角共轭点 定义1 从平面上一点向凸多边形各边作垂线,以各垂足为顶点的多边形称为投影多边形. 如三角形三条高线的垂足作为顶点的三角形,就是垂心的投影三角形(常称为垂心的垂足三角形). 性质1 若点关于的投影三角形是. (1)当是的内心或旁心时,是的外心. (2)当是的外心时,是的垂心. (3)当是的垂心时,若是锐角三角形,是的内心;若是钝角三角形,是的旁心. 证明 只证(3)中是钝角三角形的情形,如图17-1,是钝角,是的垂心,则在和的外部,在的内部,易证 故是的旁心. 性质2 一点的投影三角形的面积,与点关于外接圆的幂成比例. 证明 如图17-2,点在的边、、上的投影分别为、、,联结并延长的外接圆于点.则 ,又 ,从而. 于是, (其中为半径) . (注意到). 注:性质2常称为施坦纳(Steiner)定理. 推论1 投影三角形的面积为一定的点的轨迹,是一个与三角形外接圆同心的圆.在外接圆内的点,外心的投影三角形面积最大. 推论2 三角形外接圆上的点的投影三角形面积为零. 推论3 一点的投影点外接圆的半径. 事实上,由及等三式即得. 推论4 的外心的投影三角形面积. 事实上,由即得. 推论5 的内心的投影三角形面积. 事实上,由即得. 推论6 的重心的投影三角形面积. 事实上,由即得. 推论7 的垂心的投影三角形面积. 事实上,由即得. 推论8 的九点圆圆心的投影三角形面积 . 事实上,由且,得即得. 将性质2推广,则有如下结论: 性质3 自所在平面内一点向三角形三边作同向等角的射线,分别交边,,于点,,.设外接圆的半径为,,则. ① 证明 如图17-3,当点在内,,延长交圆于,联结,. 由题意知点,,,共圆,由正弦定理得 . 同理 . 又,,则 . 在中,,而,即 . 从而 . 设为过,的直径,则 . 又因,则 . 当点在的外部时,如图17-4所示,类似可证得 . 故性质3得证. 显然,当时,有,此即为性质2. 定义2 凸多边形所在平面内两点分别与各顶点连线,如果同一顶点所连的线与靠近的边所成的角都相等,则称这两点为凸多边形的等角共轭点. 例如,给定一个和两个点,,如果使其满足,, ,那这样的,两点即为的等角共轭点. 性质4 三角形的外心与垂心是三角形的等角共轭点(参见第4章性质2). 性质5 调和四边形两条对角线的中点是调和四边形的等角共轭点(参见第16章性质4). 对三角形而言,显然内心是重合的等角共轭点(称为自等角共轭点);三个旁心也都是自等角共轭点. 对于一个三角形而言,我们可推知: (1)三角形外接圆上除3个顶点外,其余所有点均无实在的等角共轭点和它们相配.或者说外接圆上除顶点外,其等角共轭点为无穷远点. (2)每个顶点可有无限多个等角共轭点,即对边所在直线上的所有点. (3)每边及延长线上的所有点同以对顶点为它们的等角共轭点. (4)除以上所说的点外,每一点都有唯一的等角共轭点和它配成点对. 性质6 设,是的一对等角共轭点,则,在边,,(所在直线)上的射影必共圆,其共圆圆心是等角共轭点,连线的中点,如图17-5所示. 事实上,这个命题对多边形来说也是成立的. 性质7 如果一个多边形有等角共轭点,那这对等角共轭点在各边(所在直线)上的射影必共圆,所共圆圆心是这对等角共轭点连线的中点. 证明 如图17-6,设、为凸多边形……的等角共轭点.设、在各边、、…、上的投影分别为、、、,…,、.联结、、、,则知、、、四点共圆,有 . 又由、、、四点共圆,有 . 由等角共轭点的定义,有. 从而,有,即知、、、四点共圆,这圆的圆心应是线段、的中垂线的交点.但这两条中垂线显然交于的中点,即为该圆的圆心. 同样的方法,可证、、、四点共圆,且圆心也是的中点. 同理,得其他的圆,且这些圆既同心,又轮回有公共点,则自必合而为一. 注:此命题的逆命题虽然成立.从而上述条件为充分必要条件. 于是我们可以得到: (1)若两点在一个多边形各边(所在直线)上的射影共圆,则它们必是该多边形的等角共轭点; (2)若一点在一个多边形各边(所在直线)上的射影共圆,则该点的等角共轭点(关于该多边形而言)必定存在. 其实我们还可以把性质6加强为如下一个等价形式的命题. 性质6 设给定及,两点,则,两点是的等角共轭点的充要条件是:点,在各边(所在直线)上的射影必共圆. 性质8 设给定及,两点,则,两点是的等角共轭点的充要条件是:点,到各边的距离成反比. 证明略(由直角三角形相似来证.) 性质9 三角形的一对等角共轭点到各顶点的距离乘积之比等于其等角共轭点到各边的距离乘积之比. 证明 如图17-7,由 ,,,易知有 , 所以

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