平面几何中的几个著名定理

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几何学起源于土地测量，几千年来，人们对几何学进行了深入的研究，现已发展成为一门具有严密的逻辑体系的数学分支．人们从少量的公理出发，经过演绎推理得到不少结论，这些结论一般就称为定理．平面几何中有不少定理，除了教科书中所阐述的一些定理外，还有许多著名的定理，以这些定理为基础，可以推出不少几何事实，得到完美的结论，以至巧妙而简捷地解决不少问题．而这些定理的证明本身，给我们许多有价值的数学思想方法，对开阔眼界、活跃思维都颇为有益．有些定理的证明方法及其引伸出的结论体现了数学的美，使人们感到对这些定理的理解也可以看作是一种享受．下面我们来介绍一些著名的定理．

1．梅内劳斯定理

　　亚历山大里亚的梅内劳斯(Menelaus，约公元100年，他和斯巴达的Menelaus是两个人)曾著《球面论》，着重讨论球面三角形的几何性质．以他的名子命名的“梅内劳斯定理”现载在初等几何和射影几何的书中，是证明点共线的重要定理．

　　定理一直线与△ABC的三边AB，BC，CA或延长线分别相交于X，Y，Z，则

证过A，B，C分别作直线XZY的垂线，设垂足分别为Q，P，S，见图3－98．由△AXQ∽△BXP得

同理

将这三式相乘，得

　　说明 (1)如果直线与△ABC的边都不相交，而相交在延长线上，同样可证得上述结论，但一定要有交点，且交点不在顶点上，否则定理的结论中的分母出现零，分子也出现零，这时定理的结论应改为

AX×BY×CZ=XB×YC×ZA，

仍然成立．

　　(2)梅内劳斯定理的逆定理也成立，即“在△ABC的边AB和AC上分别取点X，Z，在BC的延长线上取点Y，如果

那么X，Y，Z共线”．梅内劳斯定理的逆定理常被用来证明三点共线．

梅内劳斯的逆定理可用“同一法”证，做一个Z'与X、Y在一条直线上，然后证明Z'、Z同一即可

　　例1 已知△ABC的内角∠B和∠C的平分线分别为BE和CF，∠A的外角平分线与BC的延长线相交于D，求证：D，E，F共线．

证如图3－99有

相乘后得

由梅内劳斯定理的逆定理得F，D，E共线．

　　例2(戴沙格定理)在△ABC和△A′B′C′中，若AA′，BB′，CC′相交于一点S，则AB与A′B′，BC与B′C′，AC与A′C′的交点F，D，E共线．

　　证如图3－100，直线FA′B′截△SAB，由梅内劳斯定理有

同理，直线EC′A′和DC′B′分别截△SAC和△SBC，得

将这三式相乘得

所以D，E，F共线．　

　　2．塞瓦定理

　　意大利数学家塞瓦(G．Ceva)在1678年发表了下面的十分有用的定理，它是证明共点线的重要定理．

　　定理在△ABC内任取一点P，直线AP，BP，CP分别与边BC，CA，AB相交于D，E，F，则

　　证如图3－101，过B，C分别作直线AP的垂线，设垂足为H和K，则

由于△BHD∽△CKD，所以

同理可证

将这三式相乘得

　　说明 (1)如果P点在△ABC外，同样可证得上述结论，但P点不能在直线AB，BC，CA上，否则，定理的结论中的分母出现零，分子也出现零，这时，定理的结论应改为

BD×CE×AF=DC×EA×FB，

仍然成立．

　　(2)塞瓦定理的逆定理也成立，即“在△ABC的边BC，CA，AB上分别取点D，E，F，如果

那么直线AD，BE，CF相交于同一点．”

逆定理:在△ABC三边所在直线BC,CA,AB上各取一点D,E,F(D,E,F都在三边上,或只有其中之一在边上),若BD/CD*CE/AE*AF/BF=1,则AD,BE,CF三线共点或它们互相平行.
证明:先证共点,设AD,BE交于点P,连结CP,使它或其延长线交AB或AB 的延长线于F',按照证明梅内劳斯逆定理的方法,我们可证明F'和F重合,共点证毕.再证平行:我们已经证明了三线如果有交点,只能交于一点,故考虑它们平行,只要证明当它们平行时能够符合题设就行了,这个由三角形相似不难证明,证略,故逆定理证毕.

　　证如图3－102，设AD和BE相交于P，作直线CP，交直线AB于F′，由塞瓦定理得

所以 F′B=FB，

即F′与F重合，所以AD，BE，CF相交于同一点．

　　塞瓦定理的逆定理常被用来证明三线共点．

　　例3 求证：三角形的三条中线、三条内角平分线和三条高所在的直线分别相交于同一点．

　　证 (1)如果D，E，F分别是△ABC的边BC，CA，AB的中点，则

由塞瓦定理的逆定理得中线AD，BE，CF共点．

　　(2)如果D，E，F分别是△ABC的内角平分线AD，BE，CF与边BC，CA，AB的交点，则

由塞瓦定理的逆定理得角平分线AD，BE，CF共点．

　　(3)设D，E，F分别是△ABC的高AD，BE，CF的垂足．

　　(i)当△ABC是锐角三角形时(如图3－103)，D，E，F分别在BC，CA，AB上，有

　　　　　　　　BD=ccosB，DC=bcosC，CE=acosc，

　　　　　　　　EA=ccosA，AF=bcosA，FB=acosB，

所以

由塞瓦定理的逆定理得高AD，BE，CF共点．

　　(ii)当△ABC是钝角三角形时，有

BD=ccosB，DC=bcosC，CE=acosC，

EA=ccos(180°-A)=-ccosA，

AF=bcos(180°-A)=-bcosA,

FB=acosB，

所以

由塞瓦定理的逆定理，得高AD，BE，CF共点．

　　(iii)当△ABC是直角三角形时，高AD，BE，CF都经过直角顶点，所以它们共点．

　　例4 在三角形ABC的边上向外作正方形，A₁，B₁，C₁是正方形的边BC，CA，AB的对边的中点，证明：直线AA₁，BB₁，CC₁相交于一点．

　　证如图3－104．设直线AA₁，BB₁，CC₁与边BC，CA，AB的交点分别为A₂，B₂，C₂，那么BA₂：A₂C等于从点B和C到边AA₁的垂线的长度之比，即

其中∠θ=∠CBA₁=∠BCA₁．同理

将上述三式相乘得

根据塞瓦定理的逆定理，得AA₁，BB₁，CC₁共点．

　　3．斯台沃特定理

　　定理 △ABC的边BC上任取一点D，若BD=u，DC=v，AD=t，则

　　证过A作AE⊥BC，E为垂足(如图3－105)，设DE=x，则有

AE²=b²-(v-x)²=c²-(u+x)²=t²-x²，

(若E在BC的延长线上，则v-x换成x-v．)于是得

消去x得

(u+v)²=b²u+c²v-uv(u+v)，

这就是中线长公式．

　　(2)当AD是△ABC的内角平分线时，由三角形的内角平分线的性质

设a+b+c=2p，得

这就是内角平分线长公式．

　　(3)当AD是△ABC的高时，

AD²=b²-u²=c²-v²．

再由u+v=a，解得

所以

若设AD=h_a，则

这就是三角形的高线长公式．当D在BC的延长线上时，用-v代替v，同样可得高线长线公式．

这就是三角形的面积公式．

　　伦公式

　　例5 如图3－106．在△ABC中，c＞b，AD是△ABC的角平分线，E在BC上，BE=CD．求证：

AE²-AD²=(c-b)²．

　　证为方便起见，设BD=u，DC=v，则BE=v，EC=u．由斯台沃特定理得

所以

因为AD是角平分线，所以

于是

　　4．托勒密定理

　　托勒密(Ptolemy，约公元85～165年)是古代天文学的集大成者．一般几何教科书中的“托勒密定理”(圆内接四边形的对边积之和等于对角线之积)，实出自依巴谷(Hipparchus)之手，托勒密只是从他的书中摘出。从这个定理可以推出正弦、余弦的和差公式及一系列的三角恒等式，托勒密定理实质上是关于共圆性的基本性质．

　　定理如果四边形内接于圆，那么它的两对对边的乘积之和等于它的对角线的乘积．

　　证设四边形ABCD有外接圆O，AC和BD相交于P，∠CPD=α(图3－107)．若四边形ABCD的四边都相等，则四边形ABCD为圆内接菱形，即正方形，结论显然成立．若四边不全相等，不失一般性，设

∥BD，于是△ABD≌△EDB，从而AD=BE．

又

而　　　　S_四边形_ABCD=S_四边形_BCDE，

所以

即

　　　(AD×BC+AB×CD)sin∠EBC=AC×BD×sinα．

由于

　　　　　∠α=∠DAC+∠ADB=∠DBC+∠EBD=∠EBC，

所以

AD×BC+AB×CD=AC×BD．

　　说明 (1)托勒密定理可以作如下推广：“在凸四边形ABCD中，

AB×CD+AD×BC≥AC×BD．

当且仅当四边形ABCD是圆内接四边形时，等号成立．”

　　由此可知，托勒密定理的逆定理也成立．

　　(2)托勒密定理的证明方法很多，这里采用的是面积证法．还可采用相似三角形或余弦定理证明，请读者自行完成．　

　　例6 如图3－108．过A的圆截平行四边形ABCD的边和对角线分别于P，Q，R，求证：

AP×AB+AQ×AD=AR×AC．

证连结PQ，PR，QR．在圆内接四边形APRQ中，由托勒密定理得

AP×QR+AQ×PR=AR×PQ．

又因为∠1=∠2，∠3=∠4，所以△PQR∽△CAB，于是

　　设上面的比值为k，并考虑到BC=AD，有

QR=k·AB，PR=k·AD，PQ=k·CA，于是可推得

AP×AB+AQ×AD=AR×AC．

　　例7 如图3－109．等边△ABC内接于△XYZ，A在YZ上，B在ZX上，C在XY上，证明：

　证对四边形ABXC运用托勒密定理，得

AX·BC≤BX·AC+XC·AB，

所以

AX≤BX+XC．

同样地

BY≤CY+YA，CZ≤AZ+ZB．

将上述三式相加就得所要证明的不等式．

　　等号成立的充分必要条件是X，Y，Z在△ABC的外接圆上，但∠ZBX，∠XCY，∠YAZ都等于π，因此等号成立只能是X，Y，Z分别与C，A，B重合的情况．

　　平面几何中的著名定理，除了上述所介绍的梅内劳斯定理、塞瓦定理、斯台沃特定理、托勒密定理外，还有斯泰纳-莱默斯定理、西姆松定理、蝴蝶定理、莫莱定理等等．这里，限于篇幅，因此不作讨论．

练习十九

　　1．已知△ABC的内角∠B和∠C的平分线分别为BE和CF，∠A的外角平分线与BC的延长线相交于D．求证：D，E，F共线．

　　2．过△ABC的三个顶点A，B，C分别作△ABC的外接圆的切线，分别和BC，CA，AB的延长线交于D，E，F．求证：D，E，F三点共线．

　　3．在△ABC的边BC上任取一点D，设∠ADB和∠ADC的角平分线分别交AB，AC于F和E．求证：AD，BE，CF相交于同一点．

　　4．在梯形ABCD中，AB∥DC，AD⊥BD，DC=3，BC=7，DA=8，求AB，BD和AC的长．

PA(PA+PC)=PB(PB+PD)．

　　6．设P是等边三角形ABC所在平面上的任意一点，那么根据P落

　　PC+PA=PB或PC+PA＞PB．

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