再談1990年冬令營選拔賽第3題(箏形蝴蝶定理)---兩線段的倒數和(差)問題(中)

2021-02-19 數學解題之路

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下面是本期平面幾何題目(1990年全國高中數學冬令營選拔賽試題第3題)

     在箏形」四邊形ABCD 中,AB=ADBC=CD,過AC,BD 的交點O 任作兩條直線,分別交AD E,交BC F,交AB G,交CD HGFEH 分別交BD IJ,求證:IO=OJ.

本題收到了山東煙臺姜忠乾的三角法解答(引用了張角定理,亦稱分角定理):

    評註:在後面我們可以看到,本題實質無需∠AOB和∠BOC為直角.見下:

以下摘自《箏形性質的推廣與蝴蝶定理的關聯》(作者:李長明),先得到了如下的分角線公式:


.下面的解答用的是軸對稱變換,簡稱反射變換:

下面用反射變換並結合ceva(塞瓦)定理解決如下「箏形」蝴蝶定理:

本題收到了湖北武漢暱稱為「黃藥師」的解析法解答如下(由於題目出現了直角,建立坐標系顯然是一條思路):

評註:這種截距式方程的解答與上期(10月17日)文章的截距式方法有相似之處,詳見文末這是因為列出截距式方程是容易的(設了倒數),強行解出交點是可行的,再比較點I和J的坐標是否為相反數即可.

五.事實上,當年《中等數學》雜誌1990年第2期提供的解答也是建立坐標系(似乎是一個中學生提供的解答):

       評註:只要不怕麻煩,解析法總是能夠得到結果(問題是你能否堅持下去?特別是在考場裡的時候),所以,解析法很考驗一個人的非智力因素

.再提供一種解析法解答(用了直線系):

以下是小編的解答:

延長GF、EH分別交y軸於S、T兩點,設I、J的橫坐標分別為m,n,則只需證明:m=-n

以小寫字母表示相應點在坐標軸上的坐標,因為OB=OD,則b=-d,易知:

直線AB方程:x/b+y/a=1……①

直線AD方程:x/d+y/a=1……

直線BC方程:x/b+y/c=1……

直線CD方程:x/d+y/c=1……

直線GF方程:x/m+y/s=1……

直線EH方程:x/n+y/t=1……

⑤—得,

(1/m-1/b)x+(1/s-1/a)y=0,

顯然此為直線OG的方程;

由於,b=-d,得到直線OG的方程為:

(1/m+1/d)x+(1/s-1/d)y=0……⑦

同理,⑥—④得,

(1/n-1/d)x+(1/t-1/c)y=0……⑧

顯然⑧為直線OH的方程;

故⑦⑧均為直線GH的方程於是:

(1/m+1/d)/(1/n-1/d)=(1/s-1/a)/(1/t-1/c)

…………

如法炮製可得OE的方程:

(1/n-1/d)x+(1/t-1/a)y=0

OF的方程(以下注意將b換為-d):

(1/m-1/b)x+(1/s-1/c)y=0

他們同時為EF的方程,所以:

(1/m+1/d)/(1/n-1/d)=(1/s-1/c)/(1/t-1/a)

…………

得:

(1/m+1/d)/(1/n-1/d)

=(1/s-1/a)/(1/t-1/c)

=(1/s-1/c)/(1/t-1/a)

利用分數的等比定理得:

(1/m+1/d)/(1/n-1/d)

=(1/s-1/a)/(1/t-1/c)

=(1/s-1/c)/(1/t-1/a)

=(1/c-1/a)/(1/a-1/c)=-1

於是,m=-n,證畢!

評註1:上面解答妙用截距式和直線系方程,根本不用解交點坐標.亦可將倒數記為新字母,那麼書寫將會更方便,從這點來看,武漢暱稱為「黃藥師」的解析法給出了範例

評註2:以下兩道全國高中數學聯賽試題也可以用解析法做,特別是用截距式和直線系的原理,設而不求(無需求交點的坐標,這個小編已經試過了,打字輸入麻煩,就不貼出來了),請讀者試一試(你的解答也可以發到小編郵箱1933725911@qq.com):


題目1   在四邊形ABCD中,對角線AC平分∠BAD。在CD上取一點E,BE與AC相交於F,延長DF交BC於G。求證:∠GAC=∠EAC。

    (1999,全國高中數學聯賽)

題目2 在銳角△ABC的高AD上任取一點P,BP、CP分別交AC、AB於點E、F。求證:∠FDA=∠ADE。


題目3   △ABC中,三條高AD、BE、CF交於點H,直線ED和AB交於點M,FD和AC交於點N。求證:

(1)OB⊥DF,OC⊥DE;

    (2)OH⊥MN。

(2001,全國高中數學聯賽)

衷心感謝以上平面幾何愛好者們提供的精彩解答!

.有關研究文獻:

1.《四邊形中的蝴蝶定理和坎迪定理》摘錄,作者:李裕民


註:河南許昌丁位卿老師和四川邛崍市賴虎強老師合作的word文章《張角定理與兩線段的倒數和(差)問題》裡也提到了這種推廣,並給出了證明篇幅所限,該文再次延期到下期發表,敬請關注!

2.《蝴蝶定理的推廣和演變》摘錄,作者:李裕民

九.下面是1990年全國高中數學冬令營選拔賽試題:

第三題在前面有了解答,下面是第四題,第五題的解答:

閱讀本文後,還可以點擊再閱讀如下文章:
編後語:做數學微信公眾號的確會浪費很多時間和精力(數學公式尤其難打),很難每天堅持下去(目前已變成每周一期或者是每半月一期了),但是,又想起了下面這篇古文中的加粗字體部分,還是堅持下去吧:
附錄:《莊暴見孟子》   出自《孟子.梁惠王下》

                                       

莊暴見孟子,曰:「暴見於王,王語暴以好樂,暴未有以對也。」曰:「好樂何如?」
孟子曰:「王之好樂甚,則齊國其庶幾乎!」
他日,見於王曰:「王嘗語莊子以好樂,有諸?」
王變乎色,曰:「寡人非能好先王之樂也,直好世俗之樂耳。」
曰:「王之好樂甚,則齊其庶幾乎!今之樂猶古之樂也。」
曰:「可得聞與?」
曰:「獨樂樂,與人樂樂,孰樂?」
曰:「不若與人。」
曰:「與少樂樂,與眾樂樂,孰樂?」
曰:「不若與眾
。」
「臣請為王言樂。今王鼓樂於此,百姓聞王鐘鼓之聲、管籥之音,舉疾首蹩頞而相告曰:『吾王之好鼓樂,夫何使我至於此極也,父子不相見,兄弟妻子離散。』今王畋獵於此,百姓聞王車馬之音,見羽旄之美,舉疾首蹩頞而相告曰:『吾王之好田獵,夫何使我至於此極也?父子不相見,兄弟妻子離散。』此無他,不與民同樂也。
「今王鼓樂於此,百姓聞王鐘鼓之聲、管籥之音,舉欣欣然有喜色而相告曰:『吾王庶幾無疾病與,何以能鼓樂也?』今王田獵於此,百姓聞王車馬之音,見羽旄之美,舉欣欣然有喜色而相告曰:『吾王庶幾無疾病與,何以能田獵也?』此無他,與民同樂也。今王與百姓同樂,則王矣!」



近期題目預告(多重絕對值):

關於多重絕對值,著名不等式專家安正平老師在其新浪博客裡提出了如下幾個問題(有幾個問題沒有解答):

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