39 求證:FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’,
40 △A’B’C’的外接圓是否經過某個定點?
41 求△A’B’C’垂心H的軌迹。
42 證明斯坦納定理:△ABC外接圓上任一點關于三邊對稱點與△ABC垂心共線。
43 抛物線的四條切線,每兩條切線交點與另兩條切線交點連線中點共線(牛頓線定理)
44 對于一般的四條直線,交成四個三角形,證明這四個三角的外接圓交于一點。這四個三角形的垂心在同一條直線上。
39 求證:FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’,
思路:這顯然和性質27有關。
以上三式相乘并開方即得FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’。
注:本題是性質27的推論,當然也可以直接計算證明。
40 △A’B’C’的外接圓是否經過某個定點?
思路分析一:
切線的關鍵是切點,所以可以設出三條切線的切點為A,B,C,求出切線的交點坐标,然後設出外接圓的一般方程,将坐标代入,求出系數的表達式。最後讓變量系數為0,即可求出定點坐标。
△A’B’C’的外接圓是否經過某個定點?
解答一:
思路分析二:
如果此圓過定點,此定點一定關于抛物線對稱,因此最可疑的就是焦點F了。下面隻需證明A’B’FC’共圓即可,隻需利用到角公式算出一個角的正切值,對稱得到另一個,說明其相等即可。
解答二:
思路分析三:純幾何證明
想到了前面性質9,
從而得到∠FPB=∠FQC=∠FQA=90°,
可以得到共圓,倒角即得結果。
解法三:
由前面性質9得∠FPB=∠FQC=∠FQA=90°,
故A'PQF共圓,
則∠FA'P=∠FQR,
同理∠FB'A=∠FQR,
故∠FB'A=∠FA'P,
故A'C'B'F共圓。
即△A’B’C’外接圓恒過抛物線焦點F。
注:
1、本性質既出乎意料,又在情理之中,是抛物線一個深刻而優美的性質,相對而言不是很常見。但是卻是抛物線和圓的完美綜合的問題。考察了抛物線的切線及三角形的外接圓方程及圓過定點的問題。既可以作為高考題(可以考察某些特例,例如讓一條切線為y軸等),也可以作為競賽題。可謂淡妝濃抹總相宜。
2、上面提供了三種解決思路,思路一是直接求出外接圓的一般方程。解決的關鍵是設出圓的一般方程,将三個點的坐标代入,消元解出參數D,E,F。思路直接自然,隻要按部就班的利用對稱性消元,化簡代入即可,運算量也不算太大。而且外接圓的一般方程也非常優美,首先是關于三個點A,B,C的坐标是對稱的,而且隻含有三個點的縱坐标的和、兩兩乘積的和、三個的乘積。最後确定此圓過焦點幾乎是顯而易見的。思路二和三都是直接猜出定點為焦點F,然後通過對角互補證明四點共圓。思路二是解析硬算,當然還是用到了到角公式,這個公式非常簡單但是也非常重要,我在前面很多文章中(如《2020年高聯一試11題的七種解法》)也強調過其至關重要的作用。這樣運算量會小了不少。而且從結果看∠FA’C的大小隻和點C有關,這也是一個神奇而精妙的結論。思路三是純幾何的想法,主要想到了性質9,下面利用兩個四點共圓即可得到第三個四點共圓。當然通過思路三的證明也順便證明了思路二的角度關系,即∠FA'P=∠FQR=過C的切線的傾斜角。
3、對平面幾何定理比較熟悉的讀者可以發現,上述證法三其實是證明了西姆松(Simson)定理的逆定理。因此本結論等價于西姆松定理的逆定理。
4、當然本題有可能還有其他的證明方法,有興趣的讀者可以自行挖掘,并歡迎在交流區探讨交流。
5、結合性質35,不難發現其實本性質等價于性質31。
此即為第41題的答案。
注:這也是抛物線外切三角形的奇妙性質,上述證明相對比較簡潔,基本思路就是充分利用對稱性,先猜後證。當然也可以按部就班的寫出兩條高線方程,聯立解出垂心坐标。不過運算量會大不少。此題難度也不算高,既考察了幾何性質,又需要解析計算,如果有對稱思維能大大簡化運算,結果也很神奇。是一個難度合适的高考或者競賽試題。
42 證明斯坦納定理:△ABC外接圓上任一點關于三邊對稱點與△ABC垂心共線。
進一步,結合性質12的證明知F關于切線的對稱點在準線上,又由性質13知F在切點三角形外接圓上,而由性質14知垂心在準線上,這樣就證明了斯坦納定理,即
△ABC外接圓上任一點關于三邊對稱點與△ABC垂心共線。
此即為問題42的證明。
43 抛物線的四條切線,每兩條切線交點與另兩條切線交點連線中點共線(牛頓線定理)
證明:
44 對于一般的四條直線,交成四個三角形,證明這四個三角的外接圓交于一點。這四個三角形的垂心在同一條直線上。
下面更上一層樓,考察抛物線四條切線圍成的圖形(一般把四條直線圍成的圖形稱為完全四邊形)。每三條切線可以圍成一個三角形,這樣就能得到四個外切三角形。由性質40知每個三角形的外接圓都經過焦點F。從而此四圓共點于F。又由性質41知四個三角形的垂心都在準線上,從而四個三角形的垂心共線。
反之,我們知道與四條直線都相切的抛物線是唯一的(一個相切相當于一個條件,四個條件可以确定一個抛物線)。這樣我們就得到了對一般的四條直線構成的完全四邊形,其中的四個三角形的外接圓共點于此抛物線焦點F,四個三角形的垂心共線于此抛物線的準線。這就是問題44的答案。
注:對平面幾何熟悉的讀者知道,此即為完全四邊形的性質:密克點、垂心線。上面通過抛物線的性質曲徑通幽,用解析法證明了上述結論,可謂另辟蹊徑。而且還有進一步的結論,四條切線中,每三條切線圍成的四個三角形外心共圓。囿于難度,這裡就略去不講了。
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