目录

  • 定理简介——西姆松定理
    • 证法1:平角
    • 证法2:重合
      • 2-1
      • 2-2
    • 证法3:对顶角
    • 证法4:梅涅劳斯定理的逆定理
  • 拓展——斯坦纳定理
    • 简介
    • 证法1:全等三角形
      • 引理1
      • 定理证明
    • 证法2:中位线1
    • 证法3:三角恒等变换
      • 引理2
      • 定理证明
    • 证法4:中位线2
      • 引理3
      • 定理证明

(本人蒟蒻,如有不足,望各位大佬不吝指出)

定理简介——西姆松定理

有 △ABC\triangle ABC△ABC ,平面上有一点 PPP 。PPP 在三角形三边上的投影(即由 PPP 到边上的垂足)共线(此线称为

西姆松线Simson line)当且仅当 PPP 在三角形 △ABC\triangle ABC△ABC 的外接圆上。如图,即 L,N,ML,N,ML,N,M 共线:


证法1:平角

如图,证明 ∠DFE+∠DFG=180°\angle DFE+\angle DFG=180\degree∠DFE+∠DFG=180° ,

可知 D,B,C,AD,B,C,AD,B,C,A 四点共圆,所以 ∠DBE=∠DAC\angle DBE=\angle DAC∠DBE=∠DAC,

因为 ∠DEB=∠DFB=90°\angle DEB=\angle DFB=90\degree∠DEB=∠DFB=90° ,所以 D,E,B,FD,E,B,FD,E,B,F 四点共圆,所以 ∠DBE=∠DFE\angle DBE=\angle DFE∠DBE=∠DFE,

因为 ∠DFA=∠DGA=90°\angle DFA=\angle DGA=90\degree∠DFA=∠DGA=90° ,所以D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,所以 ∠DFG+∠DAC=180°\angle DFG+\angle DAC=180\degree∠DFG+∠DAC=180°,

即 ∠DFE+∠DFG=180°\angle DFE+\angle DFG=180\degree∠DFE+∠DFG=180°,得证。


证法2:重合

2-1


延长 GFGFGF 交 CBCBCB 延长线于 E′E'E′,证明 E,E′E,E'E,E′ 重合。

D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,则 ∠DFE′=∠DAC\angle DFE'=\angle DAC∠DFE′=∠DAC,

D,B,C,AD,B,C,AD,B,C,A 四点共圆,则 ∠DBE=∠DAC\angle DBE=\angle DAC∠DBE=∠DAC,

D,E,B,FD,E,B,FD,E,B,F 四点共圆,则 ∠DBE=∠DFE\angle DBE=\angle DFE∠DBE=∠DFE,

故 ∠DFE=∠DFE′\angle DFE=\angle DFE'∠DFE=∠DFE′,则 E,E′E,E'E,E′ 重合,得证。

2-2


证明 EF,EGEF,EGEF,EG重合,可证明 ∠DEF=∠DEG\angle DEF=\angle DEG∠DEF=∠DEG。

D,E,B,FD,E,B,FD,E,B,F 四点共圆,则 ∠DEF=∠DBF\angle DEF=\angle DBF∠DEF=∠DBF,

D,B,C,AD,B,C,AD,B,C,A 四点共圆,则 ∠DBF=∠DCA\angle DBF=\angle DCA∠DBF=∠DCA,

D,E,C,GD,E,C,GD,E,C,G 四点共圆,则 ∠DEG=∠DCA\angle DEG=\angle DCA∠DEG=∠DCA,

故 ∠DEF=∠DEG\angle DEF=\angle DEG∠DEF=∠DEG,得证。


证法3:对顶角


证明 ∠EFB=∠AFG\angle EFB=\angle AFG∠EFB=∠AFG,则 E,F,GE,F,GE,F,G 共线。

D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,则 ∠AFG=∠ADG\angle AFG=\angle ADG∠AFG=∠ADG,

D,F,B,ED,F,B,ED,F,B,E 四点共圆,则 ∠EFB=∠EDB\angle EFB=\angle EDB∠EFB=∠EDB,

D,B,C,AD,B,C,AD,B,C,A 四点共圆,则 ∠DBE=∠DAC\angle DBE=\angle DAC∠DBE=∠DAC,余角 EDB=∠ADGEDB=\angle ADGEDB=∠ADG,

故 ∠EFB=∠AFG\angle EFB=\angle AFG∠EFB=∠AFG,得证。


证法4:梅涅劳斯定理的逆定理


即证明:AFFB⋅BEEC⋅CGGA=1\frac{AF}{FB}\cdot \frac{BE}{EC}\cdot\frac{CG}{GA}=1FBAF​⋅ECBE​⋅GACG​=1

由四点共圆可以得到上图中颜色相同的角相等,此处便不再赘述,则

△ADF∼△CDE⇒AFEC=ADDC\triangle ADF\sim \triangle CDE \Rightarrow \frac{AF}{EC}=\frac{AD}{DC}△ADF∼△CDE⇒ECAF​=DCAD​

△DEB∼△DGA⇒BEGA=BDAD\triangle DEB\sim \triangle DGA\Rightarrow\frac{BE}{GA}=\frac{BD}{AD}△DEB∼△DGA⇒GABE​=ADBD​

△CDG∼△DBF⇒CGFB=DCBD\triangle CDG\sim\triangle DBF\Rightarrow\frac{CG}{FB}=\frac{DC}{BD}△CDG∼△DBF⇒FBCG​=BDDC​

∴AFFB⋅BEEC⋅CGGA=ADDC⋅BDAD⋅DCBD=1\therefore \frac{AF}{FB}\cdot \frac{BE}{EC}\cdot\frac{CG}{GA}=\frac{AD}{DC}\cdot\frac{BD}{AD}\cdot\frac{DC}{BD}=1∴FBAF​⋅ECBE​⋅GACG​=DCAD​⋅ADBD​⋅BDDC​=1,得证。


拓展——斯坦纳定理

简介

即,西姆松线经过 △ABC\triangle ABC△ABC 的垂心与点 DDD 连成的线段的中点,如图,红线(即西姆松线)经过蓝线的

中点:


证法1:全等三角形

引理1

引理: 三角形垂心关于一边的对成点在三角形的外接圆上。

证明: 如图,GGG 为 △ABC\triangle ABC△ABC 的垂心,延长 GDGDGD 交 △ABC\triangle ABC△ABC 的外接圆与 HHH ,则

∠ABC=∠DGC=90°−∠GCD\angle ABC=\angle DGC =90\degree-\angle GCD∠ABC=∠DGC=90°−∠GCD,

又有 A,B,H,CA,B,H,CA,B,H,C 四点共圆,则 ∠ABC=∠CHD\angle ABC=\angle CHD∠ABC=∠CHD,

所以 △CGD≌△CHD(AAS)\triangle CGD≌\triangle CHD\ (\mathrm{AAS})△CGD≌△CHD (AAS),即三角形垂心关于一边的对成点在三角形的外接圆上,得证。

定理证明

如图,连接 CKCKCK 并延长交西姆松线 EGEGEG 于 PPP ,交 ABABAB 于 OOO ,交 △ABC\triangle ABC△ABC 的外接圆于 MMM,

过 DDD 作 DN⊥OMDN\perp OMDN⊥OM 于 NNN ,连接 ADADAD,

证明 △DFL≌△KPL\triangle DFL≌\triangle KPL△DFL≌△KPL 即可。

由对顶角有 ∠DLF=∠KLP\angle DLF=\angle KLP∠DLF=∠KLP,

由垂心的定义可知 PK//DFPK//DFPK//DF,则有 ∠FDL=∠PKL\angle FDL=\angle PKL∠FDL=∠PKL,

下证 DF=PKDF=PKDF=PK。

易知四边形NDFONDFONDFO为矩形,故可证 ON=PKON=PKON=PK,

由上面的引理1可知 OM=OKOM=OKOM=OK ,故证明 MN=OPMN=OPMN=OP 即可。

由 D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,有 ∠OPF=∠ADG\angle OPF=\angle ADG∠OPF=∠ADG,

由 M,D,C,AM,D,C,AM,D,C,A 四点共圆,有 ∠DMN=∠DAG\angle DMN=\angle DAG∠DMN=∠DAG,余角 ∠MDN=∠ADG\angle MDN=\angle ADG∠MDN=∠ADG

所以 ∠MDN=∠OPF\angle MDN=\angle OPF∠MDN=∠OPF。

四边形NDFONDFONDFO为矩形,则 DN=OFDN=OFDN=OF,

所以 △MDN≌△PFO(ASA)\triangle MDN≌\triangle PFO\ (\mathrm{ASA})△MDN≌△PFO (ASA),MN=OPMN=OPMN=OP,

故可推出 DF=PKDF=PKDF=PK,所以 △DFL≌△KPL(AAS)\triangle DFL≌\triangle KPL\ (\mathrm{AAS})△DFL≌△KPL (AAS),DL=KLDL=KLDL=KL,得证。


证法2:中位线1

该方法与证法1大体相似,同样也需要用到上面证明的引理1

如图,连接 CKCKCK 并延长交西姆松线 EGEGEG 于 PPP ,交 ABABAB 于 OOO ,交 △ABC\triangle ABC△ABC 的外接圆于 MMM,

作 DDD 关于 ABABAB 的对称点 D′D'D′,连接 DKDKDK,证明 FLFLFL 是 △DD′K\triangle DD'K△DD′K 的中位线。

由于 DDD 与 D′D'D′ 关于 ABABAB 对称即 FFF 为 DD′DD'DD′ 中点,则证明 FL//D′KFL//D'KFL//D′K 即可。

由于 MMM 与 KKK,DDD 与 D′D'D′ 关于 ABABAB 对称,则四边形MDD′KMDD'KMDD′K为等腰梯形,

故 ∠DMO=∠D′KO\angle DMO=\angle D'KO∠DMO=∠D′KO 。

由 M,D,A,CM,D,A,CM,D,A,C 四点共圆,有 ∠DMO=∠DAC\angle DMO=\angle DAC∠DMO=∠DAC,

由 D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,有 ∠OFP=∠ADG\angle OFP=\angle ADG∠OFP=∠ADG,余角 ∠OPF=∠DAC\angle OPF=\angle DAC∠OPF=∠DAC,

故 ∠D′KO=∠OPF\angle D'KO=\angle OPF∠D′KO=∠OPF,Fl//D′KFl//D'KFl//D′K,FLFLFL 为△DD′K\triangle DD'K△DD′K 的中位线,DL=KLDL=KLDL=KL,得证。


证法3:三角恒等变换

引理2

如图:设∠ABC=β,∠ACB=γ\angle ABC=\beta,\angle ACB=\gamma∠ABC=β,∠ACB=γ,则 GD=2R⋅cosβcosγGD=2R\cdot \mathrm{ cos} \ \beta\ \mathrm{cos}\ \gammaGD=2R⋅cos β cos γ。

证明:

III 为圆心,AJAJAJ 为直径,连接 JB,JC,HB,HCJB,JC,HB,HCJB,JC,HB,HC。

由前面的性质可知 △CDG≌△CHD\triangle CDG≌\triangle CHD△CDG≌△CHD,则 GD=DH,∠GCD=∠HCDGD=DH,\angle GCD=\angle HCDGD=DH,∠GCD=∠HCD。

又有 ∠ABJ=90°=∠BFC\angle ABJ=90\degree=\angle BFC∠ABJ=90°=∠BFC,则 BJ//FCBJ//FCBJ//FC,则 ∠GCD=∠JBC\angle GCD=\angle JBC∠GCD=∠JBC。

故 ∠JBC=∠HCD\angle JBC=\angle HCD∠JBC=∠HCD。

D,J,H,CD,J,H,CD,J,H,C 四点共圆,有 ∠BJC=∠BHC\angle BJC=\angle BHC∠BJC=∠BHC,

则 △BJC≌△CHB(AAS)\triangle BJC≌\triangle CHB\ (\mathrm{AAS})△BJC≌△CHB (AAS),CJ=BHCJ=BHCJ=BH。

B,J,C,AB,J,C,AB,J,C,A 四点共圆,有 ∠AJC=∠ABC=β\angle AJC=\angle ABC=\beta∠AJC=∠ABC=β,

故 2R⋅cosβ=CJ=BH2R\cdot \mathrm{cos}\ \beta=CJ=BH2R⋅cos β=CJ=BH,

B,H,C,AB,H,C,AB,H,C,A 四点共圆,有 ∠BHD=∠ACB=γ\angle BHD=\angle ACB=\gamma∠BHD=∠ACB=γ,

故 2R⋅cosβcosγ=BH⋅cos⁡γ=DH=GD2R\cdot \mathrm{ cos} \ \beta\ \mathrm{cos}\ \gamma=BH\cdot \cos\ \gamma=DH=GD2R⋅cos β cos γ=BH⋅cos γ=DH=GD,得证。

同时,全等可以得到 JH//BCJH//BCJH//BC,在下文的引理3中会用到。

定理证明


如图,连接 CKCKCK 并延长交西姆松线 EGEGEG 于 PPP ,交 ABABAB 于 OOO ,交 △ABC\triangle ABC△ABC 的外接圆于 MMM,

连接 CD,ADCD,ADCD,AD。

思路类似证法1,证明 DF=PKDF=PKDF=PK,证明全等。

DFDFDF 容易求出,而 PKPKPK 可由 OK−OPOK-OPOK−OP 得到,

OKOKOK 可以用上面的引理2求出,OPOPOP 则可在 △OPF\triangle OPF△OPF 中求得。

设 ∠BAC=α,∠ABC=β,∠ACB=γ,∠DAB=θ\angle BAC=\alpha,\angle ABC=\beta,\angle ACB=\gamma,\angle DAB=\theta∠BAC=α,∠ABC=β,∠ACB=γ,∠DAB=θ,

A,D,B,CA,D,B,CA,D,B,C 四点共圆,则 ∠DCB=∠DAB=θ\angle DCB=\angle DAB=\theta∠DCB=∠DAB=θ,

在 △ADC\triangle ADC△ADC 中,由正弦定理有 AD=2R⋅sin⁡(γ−θ)AD=2R\cdot\sin(\gamma-\theta)AD=2R⋅sin(γ−θ),

故 DF=AD⋅sin⁡θ=2R⋅sin⁡(γ−θ)sin⁡θDF=AD\cdot\sin\theta=2R\cdot\sin(\gamma-\theta)\sin\thetaDF=AD⋅sinθ=2R⋅sin(γ−θ)sinθ,

AF=AD⋅cos⁡θ=2R⋅sin⁡(γ−θ)cos⁡θ=R(cos⁡(γ−2θ)−cos⁡γ)AF=AD\cdot\cos\theta=2R\cdot\sin(\gamma-\theta)\cos\theta=R(\cos(\gamma-2\theta)-\cos\gamma)AF=AD⋅cosθ=2R⋅sin(γ−θ)cosθ=R(cos(γ−2θ)−cosγ),

AO=AC⋅cos⁡αAO=AC\cdot\cos\alphaAO=AC⋅cosα,由正弦定理有 AC=2R⋅sin⁡βAC=2R\cdot\sin\betaAC=2R⋅sinβ,故 AO=2R⋅sin⁡βcos⁡αAO=2R\cdot\sin\beta\cos\alphaAO=2R⋅sinβcosα,

所以 OF=AF−AO=2R⋅sin⁡(γ−θ)cos⁡θ−2R⋅sin⁡βcos⁡αOF=AF-AO=2R\cdot\sin(\gamma-\theta)\cos\theta-2R\cdot\sin\beta\cos\alphaOF=AF−AO=2R⋅sin(γ−θ)cosθ−2R⋅sinβcosα,

积化和差,OF=R(sin⁡γ+sin(γ−2θ)−sin⁡(α+β)−sin⁡(β−α))OF=R(\sin\gamma+sin(\gamma-2\theta)-\sin(\alpha+\beta)-\sin(\beta-\alpha))OF=R(sinγ+sin(γ−2θ)−sin(α+β)−sin(β−α)),

又 α+β+γ=π\alpha+\beta+\gamma=\piα+β+γ=π,则 sin⁡γ=sin⁡(α+β)\sin \gamma=\sin(\alpha+\beta)sinγ=sin(α+β),

所以,OF=R(sin⁡(γ−2θ)−sin⁡(β−α))=R(sin⁡((π−α−β)−2θ)−sin⁡(β−α))OF=R(\sin(\gamma-2\theta)-\sin(\beta-\alpha))=R(\sin((\pi-\alpha-\beta)-2\theta)-\sin(\beta-\alpha))OF=R(sin(γ−2θ)−sin(β−α))=R(sin((π−α−β)−2θ)−sin(β−α)),

即,OF=R(sin⁡(π−(α+β+2θ))−sin⁡(β−α))=R(sin⁡(α+β+2θ)−sin(β−α))OF=R(\sin(\pi-(\alpha+\beta+2\theta))-\sin(\beta-\alpha))=R(\sin(\alpha+\beta+2\theta)-sin(\beta-\alpha))OF=R(sin(π−(α+β+2θ))−sin(β−α))=R(sin(α+β+2θ)−sin(β−α)),

和差化积,OF=2R⋅sin⁡(β+θ)cos⁡(α+θ)OF=2R\cdot\sin(\beta+\theta)\cos(\alpha+\theta)OF=2R⋅sin(β+θ)cos(α+θ)。

D,F,G,AD,F,G,AD,F,G,A 四点共圆,则 ∠OFP=∠ADG\angle OFP=\angle ADG∠OFP=∠ADG,

余角 ∠OPF=∠DAG=∠BAC+∠DAB=α+θ\angle OPF=\angle DAG=\angle BAC+\angle DAB=\alpha+\theta∠OPF=∠DAG=∠BAC+∠DAB=α+θ,

故在 △OPF\triangle OPF△OPF 中,OP=OF⋅cot⁡(α+θ)=2R⋅cos⁡(α+θ)cos⁡(β+θ)OP=OF\cdot\cot(\alpha+\theta)=2R\cdot\cos(\alpha+\theta)\cos(\beta+\theta)OP=OF⋅cot(α+θ)=2R⋅cos(α+θ)cos(β+θ),

又 OK=2R⋅cos⁡αcos⁡βOK=2R\cdot\cos\alpha\cos\betaOK=2R⋅cosαcosβ,

则 PK=OK−OP=2R⋅cos⁡αcos⁡β−2R⋅cos⁡(α+θ)cos⁡(β+θ)PK=OK-OP=2R\cdot\cos\alpha\cos\beta-2R\cdot\cos(\alpha+\theta)\cos(\beta+\theta)PK=OK−OP=2R⋅cosαcosβ−2R⋅cos(α+θ)cos(β+θ),

积化和差,PK=R(cos⁡(α+β)+cos⁡(α−β)−cos⁡(α+β+2θ)−cos⁡(α−β))PK=R(\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)-\cos(\alpha+\beta+2\theta)-\cos(\alpha-\beta))PK=R(cos(α+β)+cos(α−β)−cos(α+β+2θ)−cos(α−β)),

即,PK=R(cos⁡(π−γ)−cos⁡(π−(γ−2θ)))=R(cos⁡(γ−2θ)−cos⁡γ)=DFPK=R(\cos(\pi-\gamma)-\cos(\pi-(\gamma-2\theta)))=R(\cos(\gamma-2\theta)-\cos\gamma)=DFPK=R(cos(π−γ)−cos(π−(γ−2θ)))=R(cos(γ−2θ)−cosγ)=DF

故可得出 △DFL≌△KPL(AAS)\triangle DFL≌\triangle KPL(\mathrm{AAS})△DFL≌△KPL(AAS),DL=KLDL=KLDL=KL,得证。


证法4:中位线2

引理3

引理: 当 CECECE 为直径时,西姆松线为 ABABAB,GGG 为垂心。此时,ABABAB 经过 EGEGEG 中点。

证明:

引理1,GI=IG′GI=IG'GI=IG′,又由引理2,EG′//IJEG'//IJEG′//IJ,

则 IJIJIJ 为 △GG′E\triangle GG'E△GG′E 的中位线,故 ABABAB 经过 EGEGEG 中点。

定理证明


KKK 为 △ABC\triangle ABC△ABC 的垂心,HHH 为 △GEC\triangle GEC△GEC 的垂心。

(由于辅助线较为复杂,此处不再一一叙述)

对于 △GEC\triangle GEC△GEC,DDD 满足引理3所述的情况。

故 EGEGEG 经过 DHDHDH 的中点 TTT。

则可证明 LTLTLT 为 △DKH\triangle DKH△DKH 的中位线,即证明 EG//KHEG//KHEG//KH,

观察可证明 △DEG∼△RKH\triangle DEG\sim \triangle RKH△DEG∼△RKH。

观察图中有大量平行,可得到大量平行四边形。

∵DG⊥AC,EN⊥AC,QP⊥AC\because DG\perp AC,EN\perp AC,QP\perp AC∵DG⊥AC,EN⊥AC,QP⊥AC

∴DG//EN//QP\therefore DG//EN//QP∴DG//EN//QP

∵DE⊥EC,AU⊥EC,GO⊥EC\because DE\perp EC,AU\perp EC,GO\perp EC∵DE⊥EC,AU⊥EC,GO⊥EC

∴DE//AU//GO\therefore DE//AU//GO∴DE//AU//GO

故有 ∠ASG=∠SGO=∠Q\angle ASG=\angle SGO=\angle Q∠ASG=∠SGO=∠Q

所以 △AGS∼△BEQ\triangle AGS\sim \triangle BEQ△AGS∼△BEQ ,SGEQ=AGEB\frac{SG}{EQ}=\frac{AG}{EB}EQSG​=EBAG​

D,B,C,AD,B,C,AD,B,C,A 四点共圆,有 ∠DBE=∠DAG\angle DBE=\angle DAG∠DBE=∠DAG

所以 △DBE∼△DAG\triangle DBE\sim\triangle DAG△DBE∼△DAG,AGEB=DGDE\frac{AG}{EB}=\frac{DG}{DE}EBAG​=DEDG​

故 DGDE=SGEQ\frac{DG}{DE}=\frac{SG}{EQ}DEDG​=EQSG​,又 SG=RH,EG=RKSG=RH,EG=RKSG=RH,EG=RK, 则 △DEG∼△RKH\triangle DEG\sim \triangle RKH△DEG∼△RKH,

故 EG//KHEG//KHEG//KH ,LTLTLT 为 △DKH\triangle DKH△DKH 的中位线,DL=DKDL=DKDL=DK,得证。


The End.

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