高中数学竞赛平面几何讲座第2讲-巧添辅助-妙解竞赛题

第1页共5页第二讲巧添辅助妙解竞赛题在某些数学竞赛问题中,巧妙添置辅助圆常可以沟通直线形和圆的内在联系,通过圆的有关性质找到解题途径.下面举例说明添置辅助圆解初中数学竞赛题的若干思路.1挖掘隐含的辅助圆解题有些问题的题设或图形本身隐含着“点共圆”,此时若能把握问题提供的信息,恰当补出辅助圆,并合理挖掘图形隐含的性质,就会使题设和结论的逻辑关系明朗化.1.1作出三角形的外接圆例1如图1,在△ABC中,AB＝AC,D是底边BC上一点,E是线段AD上一点且∠BED＝2∠CED＝∠A.求证：BD＝2CD.分析：关键是寻求∠BED＝2∠CED与结论的联系.容易想到作∠BED的平分线,但因BE≠ED,故不能直接证出BD＝2CD.若延长AD交△ABC的外接圆于F,则可得EB＝EF,从而获取.证明：如图1,延长AD与△ABC的外接圆相交于点F,连结CF与BF,则∠BFA＝∠BCA＝∠ABC＝∠AFC,即∠BFD＝∠CFD.故BF:CF＝BD:DC.又∠BEF＝∠BAC,∠BFE＝∠BCA,从而∠FBE＝∠ABC＝∠ACB＝∠BFE.故EB＝EF.作∠BEF的平分线交BF于G,则BG＝GF.因∠GEF＝21∠BEF＝∠CEF,∠GFE＝∠CFE,故△FEG≌△FEC.从而GF＝FC.于是,BF＝2CF.故BD＝2CD.1.2利用四点共圆例2凸四边形ABCD中,∠ABC＝60°,∠BAD＝∠BCD＝90°,AB＝2,CD＝1,对角线AC、BD交于点O,如图2.则sin∠AOB＝____.分析：由∠BAD＝∠BCD＝90°可知A、B、C、D四点共圆,欲求sin∠AOB,联想到托勒密定理,只须求出BC、AD即可.解：因∠BAD＝∠BCD＝90°,故A、B、C、D四点共圆.延长BA、CD交于P,则∠ADP＝∠ABC＝60°.设AD＝x,有AP＝3x,DP＝2x.由割线定理得(2＋3x)3x＝2x(1＋2x).解得AD＝x＝23－2,BC＝21BP＝4－3.由托勒密定理有BD·CA＝(4－3)(23－2)＋2×1＝103－12.又SABCD＝S△ABD＋S△BCD＝233.ABGCDFE图1ABCDPO图2第2页共5页故sin∠AOB＝263615.例3已知：如图3,AB＝BC＝CA＝AD,AH⊥CD于H,CP⊥BC,CP交AH于P.求证：△ABC的面积S＝43AP·BD.分析：因S△ABC＝43BC2＝43AC·BC,只须证AC·BC＝AP·BD,转化为证△APC∽△BCD.这由A、B、C、Q四点共圆易证(Q为BD与AH交点).证明：记BD与AH交于点Q,则由AC＝AD,AH⊥CD得∠ACQ＝∠ADQ.又AB＝AD,故∠ADQ＝∠ABQ.从而,∠ABQ＝∠ACQ.可知A、B、C、Q四点共圆.∵∠APC＝90°＋∠PCH＝∠BCD,∠CBQ＝∠CAQ,∴△APC∽△BCD.∴AC·BC＝AP·BD.于是,S＝43AC·BC＝43AP·BD.2构造相关的辅助圆解题有些问题貌似与圆无关,但问题的题设或结论或图形提供了某些与圆的性质相似的信息,此时可大胆联想构造出与题目相关的辅助圆,将原问题转化为与圆有关的问题加以解决.2.1联想圆的定义构造辅助圆例4如图4,四边形ABCD中,AB∥CD,AD＝DC＝DB＝p,BC＝q.求对角线AC的长.分析：由“AD＝DC＝DB＝p”可知A、B、C在半径为p的⊙D上.利用圆的性质即可找到AC与p、q的关系.解：延长CD交半径为p的⊙D于E点,连结AE.显然A、B、C在⊙D上.∵AB∥CD,∴BC＝AE.从而,BC＝AE＝q.在△ACE中,∠CAE＝90°,CE＝2p,AE＝q,故AC＝22AECE＝224qp.2.2联想直径的性质构造辅助圆例5已知抛物线y＝－x2＋2x＋8与x轴交于B、C两点，点D平分BC.若在x轴上侧的AA图3BPQDHCAEDCB图4第3页共5页点为抛物线上的动点,且∠BAC为锐角,则AD的取值范围是____.分析：由“∠BAC为锐角”可知点A在以定线段BC为直径的圆外,又点A在x轴上侧,从而可确定动点A的范围,进而确定AD的取值范围.解：如图5,所给抛物线的顶点为A0(1,9),对称轴为x＝1,与x轴交于两点B(－2,0)、C(4,0).分别以BC、DA为直径作⊙D、⊙E,则两圆与抛物线均交于两点P(1－22,1)、Q(1＋22,1).可知,点A在不含端点的抛物线PA0Q内时,∠BAC＜90°.且有3＝DP＝DQ＜AD≤DA0＝9,即AD的取值范围是3＜AD≤9.2.3联想圆幂定理构造辅助圆例6AD是Rt△ABC斜边BC上的高,∠B的平行线交AD于M,交AC于N.求证：AB2－AN2＝BM·BN.分析：因AB2－AN2＝(AB＋AN)(AB－AN)＝BM·BN,而由题设易知AM＝AN,联想割线定理,构造辅助圆即可证得结论.证明：如图6,∵∠2＋∠3＝∠4＋∠5＝90°,又∠3＝∠4,∠1＝∠5,∴∠1＝∠2.从而,AM＝AN.以AM长为半径作⊙A,交AB于F,交BA的延长线于E.则AE＝AF＝AN.由割线定理有BM·BN＝BF·BE＝(AB＋AE)(AB－AF)＝(AB＋AN)(AB－AN)＝AB2－AN2,即AB2－AN2＝BM·BN.例7如图7,ABCD是⊙O的内接四边形,延长AB和DC相交于E,延长AB和DC相交于E,延长AD和BC相交于F,EP和FQ分别切⊙O于P、Q.求证：EP2＋FQ2＝EF2.分析：因EP和FQ是⊙O的切线,由结论联想到切割线定理,构造辅助圆使EP、FQ向EF转化.证明：如图7,作△BCE的外接圆交EF于G,连结CG.因∠FDC＝∠ABC＝∠CGE,故F、D、C、G四点共圆.由切割线定理,有EF2＝(EG＋GF)·EF＝EG·EF＋GF·EF＝EC·ED＋FC·FB＝EC·ED＋FC·FBABDCPQEyx0(1,9)(-2,0)(4,0)图5EANCDBFM12345图6AOQPCBGFED第4页共5页＝EP2＋FQ2,即EP2＋FQ2＝EF2.2.4联想托勒密定理构造辅助圆例8如图8,△ABC与△A＇B＇C＇的三边分别为a、b、c与a＇、b＇、c＇,且∠B＝∠B＇,∠A＋∠A＇＝180°.试证：aa＇＝bb＇＋cc＇.分析：因∠B＝∠B＇,∠A＋∠A＇＝180°,由结论联想到托勒密定理,构造圆内接四边形加以证明.证明：作△ABC的外接圆,过C作CD∥AB交圆于D,连结AD和BD,如图9所示.∵∠A＋∠A＇＝180°＝∠A＋∠D,∠BCD＝∠B＝∠B＇,∴∠A＇＝∠D,∠B＇＝∠BCD.∴△A＇B＇C＇∽△DCB.有DCBA''＝CBCB''＝DBCA'',即DCc'＝aa'＝DBb'.故DC＝''aac,DB＝''aab.又AB∥DC,可知BD＝AC＝b,BC＝AD＝a.从而,由托勒密定理,得AD·BC＝AB·DC＋AC·BD,即a2＝c·''aac＋b·''aab.故aa＇＝bb＇＋cc＇.练习题1.作一个辅助圆证明：△ABC中,若AD平分∠A,则ACAB＝DCBD.(提示：不妨设AB≥AC,作△ADC的外接圆交AB于E,证△ABC∽△DBE,从而ACAB＝DEBD＝DCBD.)2.已知凸五边形ABCDE中,∠BAE＝3a,BC＝CD＝DE,∠BCD＝∠CDE＝180°－2a.求证：∠BAC＝∠CAD＝∠DAE.(提示：由已知证明∠BCE＝∠BDE＝180°－3a,从而A、B、C、D、E共圆,得∠BAC＝∠CAD＝∠DAE.)3.在△ABC中AB＝BC,∠ABC＝20°,在AB边上取一点M,使BM＝AC.求∠AMC的度数.(提示：以BC为边在△ABC外作正△KBC,连结KM,证B、M、C共圆,从而∠BCM＝21∠BKM＝10°,得∠AMC＝30°.)4．如图10,AC是ABCD较长的对角线,过C作CF⊥AF,CE⊥AE.求证：AB·AE＋AD·AF＝AC2.(提示：分别以BC和CD为直径作圆交AC于点(1)(2)图8ABCA'B'C'caba'c'b'ABCDabbc图9FDABEC图10第5页共5页G、H.则CG＝AH,由割线定理可证得结论.)5.如图11.已知⊙O1和⊙O2相交于A、B,直线CD过A交⊙O1和⊙O2于C、D,且AC＝AD,EC、ED分别切两圆于C、D.求证：AC2＝AB·AE.(提示：作△BCD的外接圆⊙O3,延长BA交⊙O3于F,证E在⊙O3上,得△ACE≌△ADF,从而AE＝AF,由相交弦定理即得结论.)6．已知E是△ABC的外接圆之劣弧BC的中点.求证：AB·AC＝AE2－BE2.(提示：以BE为半径作辅助圆⊙E,交AE及其延长线于N、M,由△ANC∽△ABM证AB·AC＝AN·AM.)7.若正五边形ABCDE的边长为a,对角线长为b,试证：ab－ba＝1.(提示：证b2＝a2＋ab,联想托勒密定理作出五边形的外接圆即可证得.)EDCABOO12图11