近代欧式几何学

引论

  1. 证明三角形三边的垂直平分线交于一点;角平分线、中线、高也都是这样。
  2. 在一个半径为 3 的圆内:
    • 作一个三角形 ,它的边 与 到圆心的距离分别为 和 。这是一个不等边的三角形。
    • 用三角板作出圆心 到三边的垂线 ,,。
    • 作高 ,, 并定出它们的交点 。
    • 找出中线 ,, 的交点 。
    • 延长 ,, 交圆于 ,,;
    • 作角平分线 ,,,从而求出内心 ,作出内切圆。
    • 求出过 ,, 的圆的圆心;作出这个圆。
  3. 证明下述三角形定理:
    • 。
    • 。(正弦定理)
    • 。(余弦定理)
    • 。
    • 。
    • 。
    • 。
  1. 先考虑非退化的情形,即三角形不存在三点共线。

    1. 垂直平分线:对于三角形 ,构造边 的垂直平分线(黄色)和 的垂直平分线(紫色)如图所示:

      Pic Exercise 1.1

      根据垂直平分线的性质(垂直平分线上的点到线段两端点的距离相等)有 ,所以三角形 为等腰三角形。所以其顶点 一定位于底边 的垂直平分线上,即点 为三角形 三条边的垂直平分线的交点。

    2. 角平分线:对于三角形 ,构造角 的角平分线和角 的角平分线,两条直线相较于点 。再构造从 到三角形 三边的垂线段,如图所示:

      Pic Exercise 1.2

      根据角平分线的性质(角平分线上的点到角的两边的距离相等)有 ,所以点 到三角形 的边 和 的距离相等,所以点 一定在角 的角平分线上,即 是三角形 三个角的角平分的交点。

    3. 中线:对于三角形 ,构造角 对应的中线交边 于 点,构造角 对应的中线交边 于 点。两条中线相交于 点。射线 交 于 点,如图所示:

      Pic Exercise 1.3.1

      现证明点 是边 的中点,连接 交射线 于点 ,如图所示:

      Pic Exercise 1.3.2

      可知线段 所在的直线是 的中位线,有 ,。

      考虑图中的三角形:

      Pic Exercise 1.3.3

      根据中位线的性质和 ,有 。又 ,所以 。

      又 ,所以 ,即 。

      因为 ,所以 ,即 是 的边 的中点。所以 的三条中线交于一点。

    4. 高:对于 ,分别构造经过顶点 的垂线,垂足为 ,构造经过顶点 的垂线,垂足为 ,两条垂线的交点为 。令构造经过顶点 的射线。采用反证法,如图所示:

      Pic Exercise 1.4.1

      令 为三角形 经过点 的高(即 ),但是假设 与先前构造的两条高分别相交于不同于点 之外的点 和点 。

      因为 和 共用 ,有 ,即 。

      又 和 共用 ,所以 ,即 。

      又 和 共用 ,所以 。

      所以

      同理可得 ,,,,即 ,说明点 、 和点 是同一点,产生了矛盾。所以假设错误, 的三条高交于一点。

  2. 这里还是用 tikz 画吧,比较精确:

    Pic Exercise 2.1
  3. 证明三角形定理:

    1. : 根据高的定义和三角函数定义即可证明:

      Pic Exercise 3.1
    2. 以 为例:

      Pic Exercise 3.2

      构造从 出发经过外接圆圆心 的射线,交外接圆于 点,连接 ,则根据圆周角定理,有 。同时角 是直径所对的圆周角,有 。所以根据三角函数定义,有

      其他关系同理。

    3. 可以利用正弦定理证明,首先在三角形内有 ,所以

      于是

      代入正弦定理有

      得

    4. 根据三角形面积的定义有 ,再根据三角函数定义有 。代入正弦定理的关系有 ,再用正弦定理带回有 。

      最后一个等式可以考虑如图所示的方式,内切圆圆心 与 的连线

      Pic Exercise 3.4

      显然有

    5. 和

    6. 一起证明吧,主要把 挪到左边就是第四问里的第一个等式了。

    7. 分析一下: