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第29章牛顿定理
牛顿定理圆的外切四边形的对角线的交点和以切点为顶点的四边形的对角线的交点重合.
此定理即是说,若四边形外切于圆.边、、、上的切点分别为、、、,则四条直线、、、交于形内一点.
证法1如图,设与交于点,与交于点,下证与重合.
由切线的性质,知,则有
,
即.
同理,.
注意到,,
则.
再由合比定理,有.
于是与重合,即知、、三线共点.
同理,、、三线共点.故、、、四直线共点.
注:此证法由熊斌先生给出.
证法2如图,过作交直线于,过作交直线于,设与、分别交于点,,则由~,~,注意到,.
有,
,
即.
从而与重合.同证法1,即知、、、四直线共点.
注:注:此证法由尚强先生给出.
证法3如图,过作的平行线,交于,则,从而.
同理,过作的平行线交直线于,有.
而,所以.①
设与交于点,与交于点,
则,.②
注意到,由①,②得,由合比定理有,即知与重合,从而知,,三线共点.
同理,,三线共点.故,,,交于形内一点.
证法4如图,设与交于点,在射线上取点,使,而
,从而∽,
即有.③
由及角平分线性质,
有.④
由③、④有.⑤
同理,若与交于点,
有.⑥
由⑤、⑥即有.
以下同证法1.
证法5如图,设与交于点,连、、、.设,,,则,.
在中应用正弦定理,
有,
即.
同理,在中,有.
于是.⑦
同理,在、中,
亦有.⑧
注意到弦切角性质,有,有.
同理,.
由⑦、⑧得,
展开化简得.
而,,从而,有,即、、共线.
同理,、、共线,故、、、四直线共点.
注:如图29-1,同证法1所设,对、分别应用正弦定理有.
对、分别应用正弦定理,有.
注意,可证得与重合,也可证得结论成立.
证法6如图,从点引的平行线与的延长线交于点,则,而,从而,于是.
同理,从点引的平行线与的延长线交于点,则.
所以,和均为等腰三角形,注意到,,有,从而.于是,推知经过与的交点.
同理,经过与的交点.故、、、四直线共点.
证法7设交内切圆于,,联结有关线段如图2.
由,,
有,.
而,则,从而.⑨
同理.⑩
由⑨⑩得.
在圆内接四边形,中,分别应用托勒密定理,有
,.
,
由此化简得,
即.
从而由塞瓦定理的角元形式的推论,知,,三线共点.
同理,,三线共点,故,,,交于形内一点,在此,看几道应用的例子.
例l(2008年国家队选拔考试题)在中,,它的内切圆切边于点,连接,交内切圆于点(不同于点),在线段上取异于点的一点,使,延长交于点.求证:.
证明如图,过点作内切圆的切线,分别交、、于、、,由,知,即.
由牛顿定理知,、与三线共点于.
对及点应用塞瓦定理有
.⑦
对及截线应用梅涅劳斯定理,有
.⑧
由⑦⑧得,亦即 .
及截线应用梅涅劳斯定理并注意上式及,
有,
所以.
例2凸四边形有内切圆.求证:、、、的垂心共线.
证明如图,设、、、的垂心依次为、、、,点、分别为、边上的切点,又设交于.
由,,有.
从而
连,,则知在上,也在上.
由,知,
则有.
从而.
由于、为定点,则知为上的定点,同理,为上的定点.
由牛顿定理知,与的交点是与上的定点,即为与的交点.
同理,、均过点.故四个垂心、、、共线.
例3设凸四边形有内切圆,且与的延长线交于点,与的延长线交于点.、、、分别为边、、、上的切点,且直线与直线交于点,直线与直线交于点.求证:、、、四点共线.
证明如图,由牛顿定理知,、、、四直线共点,设该点为.
首先证.
设的半径为,连交于,则垂直平分,则,即
.
而,代入上式得.
同理,可得.
由相交弦定理,知,则,故.
其次证.
如图,在射线上取一点,使得、、、四点共圆,则由圆幂定理有
.⑨
由有,亦有
.⑩
由⑨⑩得.
即.
同理.
则,故.
再证、、三点共线.
如图,联结、,作的外接圆交于,连、,则由
,知.
又,则,
即有,
亦即.
而,则,即有.
注意到,且,故.
亦即、、三点共线.
综上,便知、、、四点共线.
下面,讨论牛顿定理中的四边形变型及切点连线的交点在形外的问题.
圆的外切四边形可以是凸四边形,也可以是凹四边形和折四边形.
定理1若凹四边形外切于圆,边、、、所在直线上的切点分别为、、、,则四条直线、、、交于一点.
证明如图,设直线交于直线交于,直线交于,直线交于,下证与重合.
对及截线,对及截线分别应用梅涅劳斯定理,
有,
.
注意到,,,,
有.
再由合比定理,即知与重合,从而直线、与交于一点.
同理,对及截线、对及截线应用梅涅劳斯定理,可证得直线、与交于一点.故四条直线、、、交于一点.
定理2若折四边形外切于圆(或折四边形有旁切圆),边、、、所在直线上的切点分别为、、、,则四条直线、、、或者相互平行或者共点.
证明(i)若对角线与平行,且时,折四边形外切于圆时,则四边形必为矩形,此时四条直线、、、相互平行.
(ii)若对角线与平
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