四點共圓模型欣賞

2020-12-05 遇見數學

本文作者:劉瑞祥,[遇見數學] 感謝劉老師投稿支持!

四點共圓(圓內接四邊形)是平面幾何裡的一個重要模型,涉及的對象很多,使用靈活,難度很大。以其中的角度關係來說,主要包括外角等於內對角、同弦所對的角相等(角在弦的同側)或互補(角在弦的兩側)這兩個重要結論,而且很好的一點是其逆命題也成立,即可以通過角度關係來判斷四個點是不是共圓。本文略舉數例,介紹其應用。

問題一:圓內接四邊形有一組對邊平行,則另一組對邊相等

已知:A、B、C、D 四點共圓,且 AB//CD。求證:AD=BC。

證明:連接對角線 AC、BD,二者相交於 E 點。

因為 AB//CD,所以 ∠3=∠3』。

又因為 A、B、C、D 四點共圓,所以 ∠3=∠3」。

即 ∠3』=∠3」。

所以 ED=EC。(等角對等邊)

同樣因為 A、B、C、D 四點共圓,可得 ∠1=∠1』,∠2=∠2』。

所以 △ADE≌△DCE。(角角邊)即 AD=BD。得證。

這裡兩次直接用到四點共圓的角度關係,使之得到充分的利用,乾淨利落。若用其它方法,恐迂迴笨拙。

問題二:證明相交圓得到的兩弦平行

這道題並不難,但是《許蓴舫初等幾何四種》(許蓴舫著,中國青年出版社 1978 年出版)中介紹了這道題的各種變化形式,居然達到 23 種之多。因其證明簡單,具體過程就略去了。

已知:兩圓相較於 A、B,通過兩交點各作一直線 CAD、EBF,止於兩圓。 求證:CE//DF。

學生經常會陷入題海不能自拔,如果老師在教學中能抓住題目的「靈魂」,也就是「萬變」表象下的「不變」之處,就能擺脫困境了。

問題三:作頂點在給定三平行線 l1、l2、l3 上的正三角形

這一題至少有兩種解法,最終的證明過程都和四點共圓有關。這兩種做法都來自《圓之吻——有趣的尺規作圖》(作者莫海亮,電子工業出版社 2016 年出版),但沒有證明。

解法一

作法:

作任意直線與已知平行線垂直,分別交三線於 A、B、C 點;過 AB 的中點作直線 m 與 l1 平行;過 C 作 CE 與 AC 成 30 度,交 m 於 E 點;連接 BE 並延長,交 l1 於 F;FBG 等於 60 度,交 l3 於 G 點;連接 FG。 三角形 BEG 即為所求。證明:

連接 EG。

因為角 EBG 和角 ECG 都是 60 度,所以 E、B、C、G 四點共圓,所以 ∠BEG 與 ∠BCG 互補,也等於 90 度。

因為 D 是 AB 的中點,且 DE 與 l1 平行, 所以 DE 是 △ABF 的中位線,BE=FE。

又因為 EG 是公共的,∠BEG=∠FEG=Rt∠,所以 △BEG≌△FEG,所以 ∠EFG=60 度。

得證。

關於圓內接四邊形的角度關係,有一個特例:如果一個角是直角,其對角也是直角。前面就利用了這個關係。而且從本題可以看出,四點共圓中的「圓」不一點在作圖過程中給出,有時只在證明過程中才會出現,下面的解法亦然。之所以如此,是因為如果只利用角度關係而不涉及線段長度,則只需要做出等角即可,無需找直線和圓弧的交點。而在證明過程中,如果看到同一線段所對的兩個。

解法二

作法:

以中間線 l2 為一邊,作正三角形 ABC,其中 A、C 在 l2 上,B 在 l1 上;作 BC 的延長線,交 l3 於 D 點;DAE 等於 60 度,交 l1 於 E 點;連接 DE。三角形 ADE 即為所求。 證明略和四點共圓角度關係有關的證明當然遠不止以上兩題,另外比較著名的問題是三角形三條高線共點的證明,以及反演圓的做法。除此以外,在《幾何明珠》這本書中,用到四點共圓角度關係的包括婆羅摩及多定理、九點圓、斯坦納-雷米歐司定理、蝴蝶定理、西姆松定理、米凱爾圓定理,這裡就不一一列舉了,敬請讀者閱讀欣賞。

關於「幾何模型」的話題似乎可以告一段落了,至少本人目前沒有繼續寫下去的能力了。我也曾經想過把常見模型整理一遍,後來想還不如讓同學們自己總結。如果我將來還能就這個話題再說一些東西,會及時和大家分享。本文要說的最後一點是,雖然幾何模型很重要,但是我們的學習也要明確重點和難點,不能「鬍子眉毛一把抓」,這是因為如果要細究幾何模型的話,會發現內容太過豐富,光是掌握這些模型就不勝其煩,又怎麼能用來幫助解題呢?

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