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垂心组与九点圆
1. 垂心组与九点圆
易知,ΔABC的垂心H与A、B、C满足其中任一点都是其余三点所成三角形的垂心。
定义 对平面上四点,若其中每一点都是其余三点构成的三角形的垂心,则称此四点构成的点组为一个垂心组。
定义 三角形的三边上的垂足构成的三角形称为三角形的垂足三角形。
垂心、垂心组与垂足三角形有许多重要性质。
例1 三角形三边上的垂足、中点,垂心与顶点的连线段
的中点,九点共圆(此圆称为三角形的九点圆)。
证明 如图,设R、S、T分别是CH、AH、BH的
中点;D、E、F是BC、CA、AB边上的垂足;L、M、N
是BC、CA、AB的中点。
连LM,ST,由中位线的性质知,ST//ML//AB,且
ST=ML;又SM//CH,所以SM⊥ST,所以STLM是矩形。
设SL与MT的交点为K,因为SDL与TEM都是直角三角形,而K为斜边的中点,
所以S、D、L、T、E、M六点共圆。同理可证,R、F、N也在这个圆上,故九点共圆。
定理 九点圆心是垂心和外心连线的中点,从而垂心、重心、外心、九点圆心构成一个调和点列。
证明:因为外心、重心和垂心三点共线(欧拉线),而九点圆圆心是垂心和外心连线段的中点,所以垂心、重心、外心、九点圆心四点共线。
又HK=KO,HG=2GO,从而
,
所以垂心、重心、外心、九点圆心构成一个调和点列。
仔细观察例题与定理,容易得出关于垂心组的许多结论,如:
(1)记九点圆的半径为r′, 外接圆的半径为R,则 2 r′ = R。
(2)因 ,故H是九点圆和外接圆的外位似中心,所以H与外接圆上任一点的连线段被九点圆平分。
同理,由 知G是九点圆和外接圆的内位似中心。设外接圆上的任一点P与G的连线段的延长线交九点圆与Q,则G是线段PQ的三等分点。
(3)ΔABC、ΔABH、ΔBCH和ΔCAH具有共同的九点圆,即ΔDEF的外接圆,故垂心组的任三点构成的三角形共四个,它们有共同的九点圆(这个圆称为垂心组的九点圆)。
(4)因九点圆圆心是AH与BC的中点连线段的中点,故垂心组的九点圆圆心是垂心组的重心。
(5)因为A、B、C和H是ΔDEF的三个旁心和内心,所以有三角形的三个旁心和内心构成一个垂心组,且这个垂心组的九点圆就是三角形的外接圆。
(6)由ΔABC、ΔABH、ΔBCH和ΔCAH的外接圆相等可知,由垂心组的任三点构成的四个三角形的外接圆相等(称此圆为垂心组的外接圆)。
(7),
由此知垂心组的不相邻的两边的平方和等于外接圆直径的平方。
例2 设A、B,C、H是一个垂心组,则ΔABC、ΔABH、ΔBCH和ΔCAH的外心也构成一个垂心组,且与原垂心组全等。
证明:如图,设ΔABC、ΔBCH、ΔCAH和ΔABH的外心
分别为O、O1、O2和O3,那么OO1、OO2、OO3分别是
BC、CA、AB的中垂线。因为垂心组的四个三角形有相
等的外接圆,故O、O1关于BC对称,O、O2关于CA对称,
O、O3关于AB对称。
因为OO3⊥AB,CH⊥AB,故OO3//AB。
又因为四边形AOBO3是棱形,故O3O2+AB2=(2R)2,但
A、B、C、H是垂心组,所以HC2+AB2=(2R)2,所以 OO3=CH。
所以四边形CHO3O是平行四边形。
同理,四边形BHO2O是平行四边形,四边形AHO1O是平行四边形,且它们都以OH的中点即垂心组的九点圆圆心K为对称中心。于是四点组A、B、C、H与四点组O1、O2、O3、O关于K对称。所以四点组O1、O2、O3、O是一个垂心组,且与四点组A、B、C、H全等。
试证明:垂心组的四个三角形的重心构成另一个垂心组。
例3 两个正交的圆的互相垂直的直径的端点构成一个垂心组。
证明:如图,设⊙O与⊙O′正交,AB,CD是二圆的直径,且垂直,
那么OP与O′P垂直。设F是OP延长线上的点,AB的延长线交
CD于E,则P、O、E、O′ 四点共圆,故
∠AOP=∠EO′P。
连AP,CP,那么FP是有⊙O′的切线知
。
所以A、P、C三点共线。
同理,A、Q、D三点共线。于是由BQ与AQ垂直,CQ与QD垂直知C、B、Q三点共线;由BP与AP垂直,DP与CP垂直知D、B、P三点共线。所以两个正交的圆的互相垂直的直径的端点构成一个垂心组。
例4 三角形的各个顶点关于九点圆的幂的和为a2 + b2 + c2的四分之一。
证明:因九点圆圆心K是外心和垂心连线段的中点,故
,
而九点圆的半径是外接圆半径的二分之一,故A关于九点圆的幂为
。
所以A、B、C关于九点圆的幂的和为
。
由斯特槐公式和中线公式可得
因为 HO=3GO,所以 HO2 = 9R2 – (a2+b2+c2)。
又 AH2 = (2
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