歐拉圓

三角形三邊的中點,三高的垂足和三個歐拉點[連結三角形各頂點與垂心所得三線段的中點]九點共圓[通常稱這個圓為九點圓[nine-point circle],或歐拉圓,費爾巴哈圓。

定理內容與性質

歐拉圓又稱九點圓。
三角形三邊的中點,三高的垂足和三個歐拉點[連結三角形各頂點與垂心所得三線段的中點]九點共圓。通常稱這個圓為九點圓[nine-point circle],又稱歐拉圓或費爾巴哈圓.。
九點圓具有許多有趣的性質,例如:
1. 三角形的九點圓的半徑是三角形的外接圓半徑之半;
2. 九點圓的圓心在歐拉線上,且恰為垂心與外心連線的中點;
3. 三角形的九點圓與三角形的內切圓,三個旁切圓均相切(費爾巴哈定理);
4. 九點圓是一個垂心組(即一個三角形三個頂點和它的垂心,共四個點,每個點都是其它三點組成的三角形的垂心,共4個三角形)共有的九點圓,所以九點圓共與四個內切圓、十二個旁切圓相切。
5. 九點圓心(V),重心(G),垂心(H),外心(O)四點共線,且HG=2OG,OG=2VG,OH=2OV。
九點圓圓心的重心坐標的計算跟垂心、外心一樣麻煩。
設d1,d2,d3分別是三角形三個頂點連向另外兩個頂點向量的點乘,並令c1=d2d3,c2=d1d3,c3=d1d2;c=c1+c2+c3。
那么重心坐標為:( (2c1+c2+c3)/4c,(2c2+c1+c3)/4c,(2c3+c1+c2)/4c )。

證明

如右圖所示,△ABC的BC邊垂足為D,BC邊中點為L。證法為以垂心H為位似中心,1/2為位似比作位似變換。
連結HL並延長至L',使LL'=HL;做H關於BC的對稱點D'。
顯然,∠BHC=∠FHE=180°-∠A,所以∠BD'C=∠BHC=180°-∠A,從而A,B,D',C四點共圓。
又因為BC和HL'互相平分於L,所以四邊形BL'CH為平行四邊形。故∠BL'C=∠BHC=180°-∠A,從而A,B,L',C四點共圓。綜上,A,B,C,D',L'五點共圓。顯然,對於另外兩邊AB,AC邊上的F,N,E,M也有同樣的結論成立,故A,B,C,D',L',F',N',E',M'九點共圓。此圓即△ABC的外接圓⊙O。
接下來做位似變換,做法是所有的點(⊙O上的九個點和點O本身)都以H為位似中心進行位似比為1/2的位似變換。那么,L'變到了L(因為HL'=2HL),D'變到了D(因為D'是H關於BC的對稱點),B變到了Q,C變到了R(即垂心與頂點連線的中點)。其它各點也類似變換。O點變成了OH中點V。
位似變換將圓仍映射為圓(容易用向量證明),因此原來在⊙O上的九個點變成了在⊙V上的九個點,且⊙V的半徑是⊙O的一半。
這就證明了三角形三邊的中點,三高的垂足和三個歐拉點都在一個圓上。

第二種簡單的證法

作圖如下:△ABC的BC邊垂足為D,BC邊中點為L,
AC邊垂足為E,AC邊中點為M,
AB邊垂足為F,AB邊中點為N,
垂心為H,AH,BH,CH中點分別為P,Q,R
(思路:以PL為直徑,其它任意某點,去證P某L為90°)
證明:(由中位線)PM平行CH,LM平行AB,又CH垂直AB∴PM垂直LM,又PD垂直LD,∴PMDL共圓。
(由中位線)PR平行AC,LR平行BH,BH垂直AC,所以PR垂直LR∴PMRDL五點共圓。
(由圓的的直徑所對應的圓周角為直角)連線PL,則PL即為直徑。所以∠PML=∠PEL=90°,所以∴PEMRDL六點點共圓,同理可證PFNQL五點共圓,PL為直徑,
所以PEMRDLQNF九點共圓,PL為直徑,PL中點(設為V)就是圓心
下證 九點圓的圓心在垂心與外心連線的中點
O為外心,OL平行等於AH一半(這個小定理我就不證明了)所以OL平行等於PH
OLPH為平行四邊形,V是PL中點,就是OH中點

歷史

九點圓是幾何學史上的一個著名問題。最早提出九點圓的是英國的培亞敏·俾幾(Benjamin Beven),問題發表在1804年的一本英國雜誌上。第一個完全證明此定理的是法國數學家彭賽列(1788-1867)也有說是1820-1821年間由法國數學家熱而工(1771-1859)與彭賽列首先發表的。一位高中教師費爾巴哈(1800-1834)也曾研究了九點圓,他的證明發表在1822年的《直邊三角形的一些特殊點的性質》一文里,文中費爾巴哈還獲得了九點圓的一些重要性質(如下列的性質3)故有人稱九點圓為費爾巴哈圓。

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