鈍角三角形的「十一點圓」

2021-12-18 數學教學研究

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著名的三角形九點圓,想必您知道一些。我以前有文章專門介紹過九點圓(從歷史消息中可以搜索到)。今天,我們更加深入一步,補充兩個點,使九點圓成為「十一點圓」,但注意,只有三角形為鈍角三角形時才有可能產生這特殊的兩個點。今天的內容還涉及反演圓(或極圓)的概念。

今天所講內容全都集中在下面這幅圖中。


看似有些複雜。下面我將一步步講解這幅圖是怎麼構建起來的。

(1)作一個鈍角三角形ABC,其中角A為鈍角。

(2)分別過點A、B、C作對邊的垂線,因為是鈍角三角形,所以,三垂線的交點即垂心必定位於三角形之外。同時有兩個垂足不在對邊之上而是在延長線上,從而也位於三角形之外。如下圖所示,其中點O即為垂心,點B'、C'是位於三角形外的垂足,點A'是鈍角A所對的垂足。可以看出,點O是由鈍角三角形唯一確定的。

(3)下面我們要作一個以點O為圓心的圓,讓它成為一個反演圓,而圓心O自然就是反演中心。兩個點互為反演是指,它們位於同一條以反演中心O為頂點的射線上,且兩點到反演中心O的距離的乘積等於反演圓半徑的平方。在這裡,點A與A'都位於OA'這條射線上,它們到點O的距離OA和OA'也是確定的。所以,要讓點A與點A'成為互為反演的點,只需反演圓的半徑等於「OA乘以OA'再開平方」。這個半徑是可以通過尺規作圖法找到的。於是,我們便可以作出反演圓O(在另一種意義下也叫做極圓),如下圖示中的綠色圓。

(4)於是,有了反演圓。也有了點A和A'互為反演。又因為三角形OAB'相似於三角形OA'B,所以,OA : OB = OB' : OA' ,從而「OB · OB' = OA · OA' ,這說明,點B與B'也互為反演。同理,點C與C'也相為反演。總結一下上述步驟:步驟(1)中的鈍角三角形一旦確定,步驟(2)中的垂心O也就確定,從而OA和OA'的長度就都確定了,從而以點O為反演中心,讓點A與A'成為互為反演點的反演圓也就隨之確定。

(5)作一個過點A'、B'、C'的圓O1(三點確定一個圓),那麼,由我們以前講過的三角形九點圓概念,這個新作的圓O1就是三角形ABC的九點圓,如下圖中藍色圓所示。九個點中,除點A'、B'、C'這三個點(圖中標以淺綠色)外,另外六個點是:三個點為三角形ABC三邊的中點D、E、F(圖中標以黃色),另外三個點為頂點與垂心連線的中點A"、B"、C"(圖中標以淺藍色)。即九個點為:A'、B'、C'、D、E、F、A"、B"、C"。

(6)我們知道,一個不過反演中心的圓的反演還是一個圓(也不過反演中心)。那麼,因為九點圓上A'、B'、C'這三點的反演點分別是三角形ABC的三個頂點A、B、C,所以,過A、B、C三點的圓就是九點圓的反演圓,而過A、B、C三點的圓是三角形ABC的外接圓。於是,我們便得到結論:鈍角三角形ABC的九點圓,在前面所作出的那個唯一的反演圓O的作用下,變換成為三角形ABC的外接圓。或者說,在九點圓與外接圓之間存在一個反演圓,使得九點圓與外接圓互為反演。下圖中的圓O3(紅色圓)就是三角形ABC的外接圓。

(7)觀察上圖。因為三角形ABC是鈍角三角形(角A是鈍角),所以,頂點A位於點A'和A"之間,即點A位於九點圓內部。所以,九點圓一定與外接圓(當然過點A)相交(當然是交於兩點)。針對每一個交點,因為九點圓與外接圓互為反演,所以,它們的交點必定是自反演點(或叫反演不動點),自反演點一定位於反演圓上。也就是說,九點圓與外接圓的兩個交點都必定位於反演圓上。這說明,在九點圓上又出現了兩個特殊的點,它們都是三圓(九點圓、外接圓和極圓)的交點。這確實很特殊。下圖中的點S和T就是這兩個點(圖中標以粉色)。

(8)最終,我們所講的「十一點圓」的十一個點分別為:A'、B'、C'、D、E、F、A"、B"、C"、S、T。(注意,我們給十一點圓打了引號,是因為九點圓是大家常說到的,也比較容易理解的,而十一點圓基本不被提及。)

(9)最後,順帶提及一下歐拉線。如下圖所示,三角形ABC的垂心O、外心O3及重心G位於同一條直線上,這條線叫做歐拉線,或者就把線段OO3叫做歐拉線。點G把歐拉線OO3分成1:2的兩部分,點G靠外心較近。而九點圓(這裡是十一點圓)的圓心O1正好是歐拉線的中點。

上圖中包含了極為豐富的數學知識和數學思想。數學真的太美妙了!

(註:反演圓與極圓雖然是同一個圓,但它們涉及的對象有所不同。在討論反演時,先要設定一個定圓,叫反演圓,然後討論點與點之間的反演變換。比如上圖中,點A與點A'是反演的關係。而點A與過點A'與OA'垂線的直線BC也存在一種對應的關係。這是一種點與直線的對應關係,其中的直線叫做點的極線,而點叫做直線的極點。極點與極線之間的對應關係叫做配極關係。BC上的點B與過點A的直線B'C'也是這種配極的關係。有了這種配極關係,軌跡就不僅僅被看成是點的運動,更可以是看成直線的包絡;圓錐曲線的產生也會變得特別美妙。以後幾期我會具體講一講這方面的內容。)


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