2O07年第5期 5 三角形的旁心 黄全福 (安徽省怀宁县江镇中学,2 ̄142) (本讲适合高中) 如图1,,为 △ABC的内心, I lB、Ic是 三角形旁切圆的圆心,简称为三角形的 旁心,它是三角形一个内角的平分线和其他 两个内角的外角平分线的交点.显然,任何三 角形都存在三个旁切圆、三个旁心. 鉴于三角形旁心的位置关系(都在形外) 和数量关系(存在三个),决定了它具有许多 有用的几何性质.本文仅给出如下三条. △ABC的三个旁 心.显然。A、,、 lA,B、l、IB,C、l、 分别三点共 线;同时,厶、C、 图1 性质1旁心与内心关系密切. 若三角形中同时出现内心、旁心,就构成 了三组三点共线、三组四点共圆. 收稿日期:2006—12—04 ,、曰, 、A、,、c,,c、曰、,、A分别四点共圆, 且 、%、,,c分别是上述三个圆的直径. 注意, 、 、,,c的中点D、E、F(即 三个圆的圆心)都在△ABC的外接圆上.这一 (2001,全国高中数学联赛) 证明:(1)因为A、C、D、F四点共圆,则 丑 = C. 1 练习题 1.证明: 上A 的充分必要条件是 PA 一pB2=QA 一 . 又因 OBC=去(180 ̄一 BOC) ‘ =2.若凸四边形ABC.D的面积为s,证明: AB2+ C2+C +DA ≥4S. 90 ̄一 C, 所以,OB_l-DF. (提示:利用欧拉定理.) 3.证明: +t6+ ≤√3p. (提示 = (p—n)<-,/p(p—n)・ 同理,DC_l-DE. (2)由CF_l-MA,BE_l-NA,DAjIBC,OB _1.DF,OC上DE,可分别得到 MC 一MH2=AC 一 。 ① ② ③ ④ ⑤ NB 一^W =AB 一A日 , BD 一CD =BA 一AC 。 删 一BD =ON2一OD . CM 一CD =OM2一OD . ①一②+③+④一⑤得 酽一MH2=DⅣ 一D 。 MO。一MH2=NO 一^W . 同理,tb≤ ̄/p(p—b), ≤/ +tb+ . ≤ ≤ ̄/- 一 + 确_=_ = p.) 4.设△ABC的外接圆半径、内切圆半径分别为 R、r,外心、内心、重心分别为0、I、G.证明: 一0 >14(r2一 ). (提示:由舡2+b +c ≥ab+bc+∞,有 2r一 = [6(n6+6c+ca)一5(n +6 +c )] 、≤ (n +6 +c )= IR2—0 ).) 所以,OH_1.MN. 维普资讯 http://www.cqvip.com
6 中等数学 点对于利用内心来确定旁心的位置大有作用. 过点A作圆的切线f.以A为圆心、AC为半 径的圆交f于E、F,且交AB于D.求证:DE、 性质2旁心与半周长(p)形影不离. 如图2,厶是△ABC的一个旁心.作厶E _l_AB于点E,厶F_l_AC 于点F,laD_l_BC于点 D.易得 BE=肋. DF分别通过△ABC的内心和一个旁心. (2005,全国高中数学联赛) 讲解:如图4,作 BAC的平分线交 DE、DF于点,、K.联结 CF=CD. AE=AF, 图2 AE+AF =(AB+BD)+(AC+CD) =AB+BC+AC. 故AE=AF=p . 性质3旁心与三角形的三个顶点构成 三组三点共线. 如图3,厶、 、,c 分别是△ABC的三个 旁心.由于A 、A,c是 对顶角的平分线亦为反 向延长线,故 、A、,c 三点共线.同样地, 、 B、厶, 、c、 分别三 点共线. 如图1,由熟知的内心张角公式 1 BIC=9oo+去 c, 又因为厶、c、,、B四点共圆,故 1 B&C=90 ̄一+ ̄BAC. 1 同理, CIBA=90 ̄一去 CBA, 1 越CB=90 ̄一+ ̄ACB. 这是旁心的张角公式,它保证了以旁心 为顶点的△ ,c必是一个锐角三角形. 涉及旁心的竞赛题,大体上可以归纳为 三大类. 1确定旁心的几何位置 例1已知△ABC内接于圆,AB>AC, CE、CI・ B 因为 IEC 图 3 = DEC :I ̄DAC yK I ̄BAC 图4 :==/IAC. 所以,A、,、c、E四点共圆.此时, C = E= ABC= DBC. 因此,B、c、,、D四点共圆. 于是, BCI= ADE= AED = AEI= ACI, 即 平分 ACB. 故,是△ABC的内心. 下面利用旁心性质1证明:K是△ABC 的一个旁心. 如图4,设AK交△ABC外接圆于点M, 联结MB、MD、MC、BI.由内心性质知MI= MB=MC,M是△IBC的外心.而B、C、,、D 四点共圆,可知MD=MI. 但 IDK=90 ̄,所以, K=90 ̄一 DIK =90 ̄一 MDI= MDK. 故MK=MD=MI. 又因为,是△ABC的内心,M在△ABC的 外接圆上,所以,K必是△ABC的一个旁心. 【思考】设射线 交(三)A于点G,易知四 边形DEGF为矩形.既然该矩形的边DE、DF 通过△ABC的内心和一个旁心,该矩形的边 GE、GF(所在直线)是否也通过△ABC的另 外两个旁心?感兴趣的读者可动手一试. 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第5期 例2 在锐角△ABC中,AB≠AC,且 cos B+c0s C=1.点E、F分别在射线AC、 AB上,且满足 ABE= ACF=90。.证明: 通过△ABC的一个旁心. 讲解:如图5,易 知F、E、C、B四点 共圆.则有 A = ABC, AFE= ACB. 此时, 图5 COS AEF+COS AFE =COS B+COS C:1. 即丽CE+ -1. 从而,BF+CE=FE. 在FE上取点K,使FK=FB,则 EK=EC. 作 BCE的平分线交FE于点0,联结 OB、OC、KB、KC. 因 FKB=去(180。一 BFK) : 1(180o ̄BFE):I ̄BCE 一= BCO, 所以,B、K、0、C四点共圆. 故 CBO= CKO= CKE =去(180。一 KEC) : 1(180。一 ̄FEC):I ̄FBC. 因此,BO平分 FBC. 但CO平分 BCE,故0必是△ABC的 一个旁心. 说明:例2改编自第26届IMO第1题, 原题是: 如图5中的四边形BFEC,若o0与船、 BC、CE都相切,F、E、c、B四点又共圆,则 FE=BF+CE. 而本例是它的一个逆命题.至于设计 cos B+COS C=1,是为了达到BF+CE=FE 7 的目的. 2利用旁心性质解题 例3 在I:1ABCD中,M、Ⅳ分别是 △ABC、△ADC的旁心.求证: AMC= ANC. 讲解:如图6,设 △ABC、△ADC的内 心分别为 、F,则 在AM上,F在AN 上.易知 B ECM=90o 图6 = FCN. 由内心性质易得 1 AEC=90。+÷AABC, 厶 1 A =90。+{ A嬲. 厶 但 ABC= ADC,所以, A嬲= AFC. 则AAMC=AAEC一 ECM= 脚一9ff, ANC= AFC一 V= AFC一90 ̄. 因此, AMC= ANC. 说明:上述证法是利用旁心性质1.事实 上,本例还可利用旁心的性质2获得证明:作 Mill'LAC亍 M’ NN LAC亍 N . 得 AM =p△ ,AN =P4 ̄wc. 【思考】点M 和 会重合吗? △A B C 三边的连比. 讲解:为简便计,令 BC=5。CA=4,AB=3,则△ABC为直角三 角形, BAC:90。. 由旁心性质3知, 、A、G ,c 、 、 , A 、c、B 分别三点共线,且A A、B B、c c是 维普资讯 http://www.cqvip.com
8 中等数学 △A C 的三条高.于是,它们的交点,既是 △A B C 的垂心,又是△ABC的内心,且 BAI= CAI=45。. 例5在锐角△ABC中,AD是高,,、0 分别是内心、外心,且D、,、0三点共线.求 证:△ABC的外接圆半径等于与边BC相切 易证A、,、 、C 及A、,、C、 分别四点 的旁切圆半径. 共圆,得 BC l= BAI=45o, C ,= CAI=45。, 即 A c,C=45。= A B B. 于是,△A 、△A C C都是等腰直角 三角形. 设A B= ,A C=Y,则 A =√ .A C = Y. 易证日、C、日 、C 四点共圆,故 CA = BC A. 又 A BC= C ,所以, △A BC∽△ABC 一 BBC ——AB—BC A B・BC =AB・BC。 且口 ( 乏’,一 )=3×5=15. ① 同理,A C・CB =AC・CB,即 y 一Y)=4×5=20. ② 在△A BC中,注意到 C=450有 曰C。=A B +A C 一2A B・A Coos BA,C, 即5 = +Y 一2xycos 45。 : +Y 一√2xy. 故25= 一y 一y) :y2一 ’,一 ). ③ 将式①、②分别代人式③解得 Y= ̄/r (负根舍), = ̄/r (负根舍). 所以,A C =√2Y= ̄/80, A, ,: : . 又 、C、 、C 四点共圆, C 是该圆的 直径,因此, B'C = BC 5 = = . 故A B :A C :B C =√9:√8:√5. (1998,全国高中数学联赛) 讲解:如图8,设 与边BC相切的旁切 圆圆心为厶,显然,A、 ,、厶三点共线. 作舾上AB于点 E,I F AB于 F.记 IF.=r,厶F=i"a,BC= h AD 一 一,D一 DM MN: : :一。. ②注意到 1= 口一 1(c+口一6)= 1(6一c), DM=BM—BD__1(c+a-6)一cc0s = (c+口一b)- (c2+a2_6 ) = 1(6一c)(6+c-口), 代入式②得鲁= . 故R= = = . 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第5期 9 因此,孚=r D—n . 结合式①得r。=R. 3挖掘隐含的旁心 因为 BDA=720 BDK=108 ̄,则 ZBDC=ZSDC=1ZBDK54o. =DC= ABDA+ BDC=126。. 故 BCD=360。一72。一66。一126。=96。. 这类题目相当难,难就难在不知道旁心 例7如图10,平面内两条直线l //l , 在哪里.解这类题要根据图形特点,并把握已 知条件,再加上大胆地猜想和探索,才能将隐 含的旁心挖掘出来.旁心一旦找到,再利用旁 心的性质,问题就迎刃而解了. 例6如图9,在凸 四边形ABCD中,AB= AC=BD.它的四个内 角中,有两个是锐角,其 . 度数分别为72。、6另外两个内角的度数.6。.求 图9 讲解:显然,△ABC、△BAD都是等腰三 角形.由于等腰三角形的底角是锐角,可知 BAD、 ABC都是锐角.不妨设 BAD= 72。, 彻C=66。.此时, BDA=72。, ACB=66。, C=180。一2×66。=48。, =180。一2×72。=36。. 如图9,作 上BC于点日,并交BD于 点Js,联结Jsc,延长AD到点K.易知 CAD= BAD一 C=24 ̄, 1 跗C= HAC=去 BAC=24 ̄. 故 SAC= CAD,即AC平分 DAS. 又 BsH=90o一 sBH =90。一( 仰C一 A肋)=60。, 易知 CSH= BSH=60。.则 DSC=180。一( BSH+ Cs日)=60。. 故 DSC= CSH.即Jsc平分 ASD的 外角. 由AC和Jsc分别平分 DAS和 ASD 的外角知,c必是△ASD的旁心. 根据旁心的性质,得DC平分 ADS的 外角. 它们之间的 距离等于n. 一块正方形 硬纸板ABCD 的边长也等 于n.现将这 块硬纸板平 放在两条平 图lO 行线上,使得z 与AB、AD都相交,交点为E、 F;z,与CB、CD都相交,交点为G、日.设 △AEF的周长为m 、△CGH的周长为m .证 明:无论怎样放置正方形硬纸板ABCD,m + m,总是一个定值. (2003,亚太地区数学竞赛) 讲解:如图l0,联结EH、FG得交点D.因 为点日到AB、z 距离相等,所以,EH平分 BEF,也平分 删G. 又点G到AD、z 等距离,所以,FG平分 DFE,也平分 G日. 由此可知,D既是A AEF的旁心,又是 A CGH的旁心,作出两个旁切圆,易知它们是 同心圆. 设P、M、Q、N分别是彻、AD、cD、 上的切点,易证P、0、Q与 、D、Ⅳ分别三点 共线,且PQ=AD=n,MN=AB=n. 利用旁心性质2知 A尸= = CQ=CN=去m2. 故m1+m2=2AP+2CQ =20M+20N=2MN=2a(定值). 【思考】若将正方形硬纸板A cD上移,使 维普资讯 http://www.cqvip.com
10 得Z。交AB、AD于点E、F,Z2通过点c,此 时,将得到怎样的结论?若再上移,使得z。交 AB、AD于点E、F,点c在Z。与Z2之间,结论 又将如何? 例8在△ABC的边BC、CA、AB上各有 一点A 、 、c ,且满足 c,= CA B , CB A = AB C , AC B = BC A . 证明: C 。+ CA + AB。 ≤ 2.、 ‘ 讲解:如图11, 延长c A 、c 分 别到 、y.注意到 , 、CA B 、、y = BA C C 、 = CA X, C 图ll = AB C : 凹 l,. 所以,C是△A B C 的一个旁心. 此时,c C平分 A C B ,但 AC B = BC A ,故 CC 上AB. 同理,A、B是△A B C 的另两个旁心. 故 上BC,BB 上CA. 易证B、C、B 、C 四点共圆,有 佃 C = ABC. 从而,△AB C ∽△ABC. 故 = AB'=cos A. 同理, =cos , …c. 在△ABC中,因为 COS A+COS B+COS C = =—zeos — ~’—・ COS — 一十I一+( 一 1 Zsln)—C J 一 (cos 一 )+ =2sin詈・2sin ・s +- 中等数学 n .sin罢.sin导+- ≤4× +-= , + + =COS A+COS +cos c≤ . 练习题 1.o0。交o02于点P、Q, 0。PO <90o,过 0 、0 、P三点的圆分别交O0。、o0 于点A、 . 明:()是△ABP的旁心. (提示:设法证A、0 、Q及B、0。、P分别三点共 线.) 2.已知佃、AC切o 0于点B、C,OA交BC于点 肘,过肘作o0的另一弦EF.求证:△ABC、△AEF 存在一个公共的旁心. (提示:设直线 交o0于点 、y, 在△ABC 的内部.易知 、B、0、C四点共圆导致 、E、0、F 四点共圆.先证 为△ABC、△AEF的公共内心,再 证y为两个三角形的公共旁心.) 3.已知o0为凸四边形ABCD的内切圆,延长 佃、DC交于点E,延长AD、BC交于点F.求证: BOE= DOF. (提示:设△BCE、△CDF的内心分别为,1、,2, , 在OE上,,2在OF上.利用旁心性质・1证明0、 、,1、C与0、C、12、D分别四点共圆.) 4.已知△ABC的三个旁心分别是 、y、Z(分别 在 、 、 C内部).设 J_BC, J_CA, J_佃.证明: 、y 、ZZ'三线共点. (提示:利用旁心性质3,点A、B、C分别在 △ 的三边上, 、YB、ZC是三条高.易证 = ZXA.作YKJ_ ,点K在 上.设法证 、y、K、z四点共圆,XK为△船 的外接圆直径.) 5.已知△ABC,点D在边BC上,0、0。、0 分 别是△ABC、△ABD、△ACD在 A内的旁心,OE 上BC于点 .求证:EO。上EO . (提示:作0。MJ_BC于点M,02NJ_BC于点 Ⅳ.利用旁心性质2证明:MD=EN,ME=DN.设 o0。、o 0 的半径分别为r。、r ,易证DM・DN= r1 r2,再证EM・EN=r1 r2.)
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