理论教育 九点圆的发现和证明及其应用

九点圆的发现和证明及其应用

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:也就是说,这九点在同一个圆上。大数学家欧拉在1765年就发现了九点圆,因此人们称之为“欧拉圆”。1804年英国的培亚敏俾凡在雷榜算理之库卷一第十八章中,正式提出“九点”问题,布德卫斯与韦唐给出了证明。1822年德国人费尔巴哈在直角三角形的一些特殊点的性质里,发表了自己的证法,并且说九点圆与内切圆及三个旁切圆相切。九点圆的证法很多,但证法比较繁琐。同理可证另一矩形PQNK的对角线PN、QK也相等且互相平分,因此九点共圆。

九点圆的发现和证明及其应用

三角形是最简单的几何图形,也是我们最熟悉的几何图形。我们知道三角形有三条边、三个内角、三个顶点、三条中线、三条内角平分线、三条高线。我们还发现或证明过,三角形的三条中线交于三角形内的一点,这一点叫做三角形的重心;三角形的三条内角平分线交于三角形内的一点,这一点叫做三角形的内心;三角形的三条高线交于一点,这个点叫做三角形的垂心。此外,三角形三边的垂直平分线也交于一点,这个点叫做三角形的外心。

在任何一个三角形中都有9个很特别、很有趣的点,那就是三角形各边的中点、三条高的垂足、各顶点与垂心所连线段的中点。这九个点的特别是容易理解的,为什么说它们有趣呢?

圆是最优美的图形。不在同一直线上的三个点确定一个圆,即过不在同一直线上的三点有并且只有一个圆。而四点共圆是有条件的,条件是以这四点为顶点的四边形对角互补。

由三点共圆和四点共圆,可以得到一个与以上九点有关的重要的、有趣的圆,叫做九点圆:三角形三边的中点、三条高的垂足、垂心与各顶点所连线段的中点,这九点所在的圆。也就是说,这九点在同一个圆上。

亲爱的读者,你有没有兴趣证明这九点在同一个圆上?如果有兴趣,不妨试一试!

大数学家欧拉在1765年就发现了九点圆,因此人们称之为“欧拉圆”。这是几何学中很著名的问题,在18世纪与19世纪之交已广为流传。1804年英国的培亚敏俾凡在雷榜«算理之库»卷一第十八章中,正式提出“九点”问题,布德卫斯与韦唐给出了证明。1821年格盖尼和1822年彭色列先后正式发表这一问题。1822年德国人费尔巴哈在«直角三角形的一些特殊点的性质»里,发表了自己的证法,并且说九点圆与内切圆及三个旁切圆相切。这就是人们通常所称的“费尔巴哈定理”。1827年维兹在«哲学杂志»发表一篇论文,对九点圆进行了比较详细的论述。

讨论九点圆,不仅在于它本身的价值,而且通过它可以寻求三角形内心、外心、垂心相对位置,以便深刻地认识几何学中最基本的角色——三角形。

九点圆的证法很多,但证法比较繁琐。下面介绍两种比较简明的证法。

证法一设△ABC各边的中点分别为M、N、K,各条高的垂足分别是D、E、F,垂心为H,AH、BH、CH的中点分别是L、P、Q。我们证明M、N、K、D、E、F、L、P、Q这9个点在同一个圆周上。

如图1,△LDM、△PEN、△QFK都是直角三角形。图1

图1

过直角三角形三顶点可作一圆,这圆是以斜边中点为圆心,斜边的一半为半径的圆。因此,要证明九点圆,只要证明这三个直角三角形的外接圆重合即可,也就是证明:LM=PN=QK,且互相平分。

如图2,连MN、NL、LP、PM。

∵L、N分别是AH、AC的中点,

∴NL∥CH,且

同理,PM∥CH,

∴NL∥PM,NL=PM。

∴MNLP是平行四边形

又∵NL∥CF,LP∥AB,而CF⊥AB,

∴平行四边形MNLP是矩形。图2

图2

∴四边形MNLP的对角线ML、PN相等且互相平分。

同理可证另一矩形PQNK的对角线PN、QK也相等且互相平分,因此九点共圆。(www.daowen.com)

证法二设△ABC三条高线的垂足为D、E、F,垂心为O。过D、E、F画圆交三条高于M、N、L。先证M为BO的中点。B、D、O、F四点共圆。BO是该圆的直径。

在过D、M、F、L、E、N的圆中,

∠FMO=∠FDE,

∠ABE=∠ACF。

在 过B、D、O、F的圆中,

∠ABE=∠FDO。

在 过C、D、O、E的圆中,

∠ACF=∠EDO。

于是

BO为过B、D、O、F圆的直径,∠FDO是圆周角,且为∠FMO之半,故∠FMO是圆心角。因此,M是BO的中点。

同理,N、L是CO、AO的中点。

又设过D、E、F的圆交三边于G、H、K,我们先证G是BC的中点。

∵M、D、G、E共圆,

∴∠MGB=∠MED,

∵O、D、C、E共圆,

∴∠MED=∠OCB。

于是

∠MGB=∠OCB。

由此,MG∥OC。

由于M是BO的中点,G当然是BC的中点。

同理,H、K分别是CA、AB的中点。

这就证明了九点共圆。

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