初中数学竞赛辅导(圆)

平面几何基础知识教程（圆）一、几个重要定义外心：三角形三边中垂线恰好交于一点，此点称为外心内心：三角形三内角平分线恰好交于一点，此点称为内心垂心：三角形三边上的高所在直线恰好交于一点，此点称为垂心凸四边形：四边形的所有对角线都在四边形ABCD内部的四边形称为凸四边形折四边形：有一双对边相交的四边形叫做折四边形（如下图）（折四边形）二、圆内重要定理：1．四点共圆定义：若四边形ABCD的四点同时共于一圆上，则称A，B，C，D四点共圆基本性质：若凸四边形ABCD是圆内接四边形，则其对角互补证明：略判定方法：1．定义法：若存在一点O使OA=OB=OC=OD，则A，B，C，D四点共圆2．定理1：若凸四边形ABCD的对角互补，则此凸四边形ABCD有一外接圆证明：略特别地，当凸四边形ABCD中有一双对角都是90度时，此四边形有一外接圆3．视角定理：若折四边形ABCD中，ADBACB，则A，B，C，D四点共圆证明：如上图，连CD，AB，设AC与BD交于点P因为ADBACB，所以180ΔCPB∽ΔDPA所以有再注意到因此Δ∽Δ因此由此（ΔABD的内角和）因此A，B，C，D四点共圆PCPBPDPACPDBPACPDBPAPCDPBABCDBADBCAPCDBADBDAPBABAD特别地，当ADBACB=90时，四边形ABCD有一外接圆2．圆幂定理：圆幂定理是圆的相交弦定理、切割线定理、割线定理、切线长定理的统一形式。相交弦定理：P是圆内任一点，过P作圆的两弦AB，CD，则PAPBPCPD证明：连，，则（等弧对等圆周角）而（对顶角相等）因此ΔAPC∽ΔDPB即，因此ACBDCABCDBAPCDPBPAPCPAPBPCPDPDPB（切）割线定理：P是圆外任意一点，过P任作圆的两割（切）线PAB，PCD，则PAPBPCPD证明方法与相交弦定理完全一样，可仿前。特别地，当C，D两点重合成为一点C’时，割线PCD变成为切线PC’而由割线定理，2'PAPBPCPDPC，此时割线定理成为切割线定理而当B，A两点亦重合为一点A’时，由切割线定理22''PCPAPBPA因此有PC’=PA’，此时切割线定理成为切线长定理现考虑割线与切线同时存在的情况，即切割线定理的情况：如图，PCD是圆的割线，PE是圆的切线设圆心为O，连PO，OE，则由切割线定理有：2PCPDPE而注意到黄色Δ是RTΔ，由勾股定理有：222PEPOOE，结合切割线定理，我们得到222PCPDPEPOOE，这个结果表明，如果圆心O与P是确定的，那么PC与PD之积也是唯一确定的。以上是P在圆外的讨论现在再重新考虑P在圆内的情形，如下图，PCD是圆内的现，PAB是以P为中点的弦则由相交弦定理有2PAPBPAPD（因为P是弦AB中点）=PC连OP，OA，由垂径定理，ΔOPA是RTΔ由勾股定理有222PAOAOP，结合相交弦定理，便得到222PAPBPAPDOAOP（因为P是弦AB中点）=PC这个结果同样表明，当O与P是固定的时候PC与PD之积是定值以上是P在圆内的讨论当P在圆上时，过P任作一弦交圆于A（即弦AP），此时220POOA也是定值综上，我们可以把相交弦定理，切割线定理，割线定理，切线长定理统一起来，得到圆幂定理。圆幂定理：P是圆O所在平面上任意一点（可以在圆内，圆上，圆外），过点P任作一直线交圆O于A，B两点（A，B两点可以重合，也可以之一和P重合），圆O半径为r则我们有：22||PAPBPOr由上面我们可以看到，当P点在圆内的时候，220POr，此时圆幂定理为相交弦定理当P在圆上的时候，220POr当P在圆外的时候，220POr此时圆幂定理为切割线定理，割线定理，或切线长定理以下有很重要的概念和定理：根轴先来定义幂的概念：从一点A作一圆周上的任一割线，从A起到和圆周相交为止的两线段之积，称为点对于这圆周的幂对于已知两圆有等幂的点的轨迹，是一条垂直于连心线的直线。根轴的定义：两圆等幂点的轨迹是一条直线，这条直线称为两圆的根轴性质1若两圆相交，其根轴就是公共弦所在直线由于两圆交点对于两圆的幂都是0，所以它们位于根轴上，而根轴是直线，所以根轴是两交点的连线性质2若两圆相切，其根轴就是过两圆切点的公切线（即性质1的极限情况）性质3若三圆两两不同心，则其两两的根轴交于一点，或互相平行所交的这点称为根心证明：若三圆心共线，则两两圆的根轴均垂直于连心线，因此此时两两的根轴互相平行若三圆心不共线，则必成一三角形，因此两两的根轴必垂直于两两的连心线。如图，设CD与EF交于点O，连AO交圆分O2圆O3于B’,B’’，则'''OAOBOEOFOCODOAOB其中前两式是点O对圆O2的幂，后二式是点O对圆O3的幂，中间是圆O对圆O1的幂进行转化由此B’与B’’重合，事实上它们就是点B（圆O2与圆O3的非A的交点），由此两两的根轴共点圆幂定理是对于圆适用的定理，今使用圆幂定理对圆内接四边形判定方法的补充：圆内接四边形判定方法4．相交弦定理逆定理：如果四边形ABCD的对角线AC，BD交于点P，且满足PAPCPBPD，则四边形ABCD有一外接圆5．切割线定理逆定理：如果凸四边形ABCD一双对边AB与DC交于点P且满足PAPCPBPD，则四边形ABCD有一外接圆这样我们就补充了两种判定方法例（射影定理）：RTΔABC中，BC是斜边，AD是斜边上的高则222(1)(2)(3)ADBDCDABBDBCACCDBC证明：（1）2'180''ADBACBACABCAADDAADBDCD如图，延长至A'，使AD=DA'，连A'B,A'C则ΔABCΔA'BC,因此因此，，，四点共圆由相交弦定理有：（2）（3）2(2)(3)同理，现证(3)作RTΔADB的外接圆，则RTΔADB的外接圆圆心为E其中E是AB的中点则EAAC，因此AC是圆ABD的切线由切割线定理有CACDCB例2：垂心ΔABC中，三边所在的高的所在的直线交于一点证明：9018018018090设与CF交于H，连AH延长交BC于D即证ADBC因为，因此，，E，C四点共圆同理A，F，H，E四点共圆所以因此，，，四点共圆由此BEBECBFCBFBHDAHFBHFAEFEHCBACHDECHDC3．Miquel定理之前1，2的重要定理都是讨论关于点共圆的情况。那么反过来，圆共点的情况又如何？从最简单的开始了解，在本文之后讨论圆共点问题中，甚至其他类型的问题，Miquel定理都给予莫大的便利，我们将要不止一次地用到它。先看一个事实：如图，ΔABC中，AD，BE，CF分别是三边上的高，则分别以AEF，BDF，CDE作圆这三个圆共于一点，而且可以通过观察，这个点就是垂心刚好是AD，BE，CF的交点在介绍Miquel定理之后，我们将会给这题与垂心一个阐释Miquel定理：ΔABC中，X，Y，Z分别是直线AB，BC，AC上的点，则,,共于一点AXZBXYCYZO这样的点O称为X，Y，Z对于ΔABC的Miquel点证明：180180180如图，设与交于，连OX，，即问题转化为证，，，四点共圆因为，，O，Z与B，X，Y，O为两组四点圆则即因此，，，四点共圆AXZBXYOOYOZOZYCAXAZOAXOBXOBYOOYCOZCOYCOZYC事实上这个证明隐含着对一般证圆共点的方法在发掘Miquel定理的证明方法时可以得到一种更一般的证题方法注意这个证明只在X，Y，Z在AB，BC，AC边上时可以当在直线AB，BC，AC上时需要改一下，这里略去了。现在回到之前关于垂心的问题。为什么D，E，F关于ΔABC的Miquel点就是ΔABC的垂心证明：如图，，，是Δ的三条高，垂心为H，则，，，，，，，，，共三组四点共圆由此可见，，共于一点而H就是垂心ADBECFABCAEFHBDFHCDEHAEFBDFCDEH有了Miquel定理，我们可以对垂心有一个新的看法90是与的根轴对，同理而因此BDF与CDE的连心线平行于BC（中位线定理）因此HD垂直于BCHE，HF同理因此垂心可以被认为是这三圆的根轴的交点（根轴性质3）HDBDFCDEHEHFADBADC用同样的方法可以对内心，外心以同样的解释：由此可见，共点圆与三角形的特殊点有很大的关系，上述3种只是最简单的最容易发现的提起外心就会联想到外接圆，这里不得不提一个常用定理：正弦定理正弦定理：ΔABC中，外接圆半径R，则2sinsinsinBCACABRABC证明：作直径AOD，连BD902sinsin则，因此在Δ中ABDADBACBRtABDABABADRADBC其余同理想到三角函数里面的函数名，那么自然会想到余弦定理余弦定理：2222222222cos2cos2cosΔ中AB=c,AC=b,BC=aABCabcbcAbacacBcbaabC证明：222222222222222222coscoscos(cos)(cos)cos2coscos2cos作边上的高AD因此即c即其余同理BCCDACCbCBDBCCDabCABBDACCDabCbbCcabCabCbbCcababC接着便就是著名的费马点，它也与共点圆有关系费马点，即ΔABC内一点，使其到三顶点距离之和最小的点当ΔABC任一内角都120时，费马点存在于内部，当Δ有一内角=120时费马点与此角顶点重合设ΔABC中任一内角均120，则费马点F可以通过如下方法作出来：分别以AB，AC，BC向外作正Δ，连接对着的顶点，则得事实上，点F是这3个正Δ的外接圆所共的点而FA+FB+FC其实就是顶点到对着的正Δ顶点的连线的长而且之后将会有一种方法计算FA+FB+FC的长度而这将会在之后进行讨论4．Simson定理Simson定理是常用而且著名的定理，多用于证明点共线，其逆定理也成立Simson定理：P是ΔABC外接圆上一点，过点P作PD垂直BC，PE垂直于AB，同理PF则D，E，F是共线的三点直线DEF称为点P关于ΔABC的Simson线引理（完全四边形的Miquel定理）：四条直线两两交于A，B，C，D，E，F六点则ABFBCECDFDAE，，，共点先从Δ对，，三点运用密克定理，则，，共点Δ对，，三点运用密克定理，则，，共点因此，，，共点ABFECDBCECDFDAEDAEBCFABFBCECDFABFBCECDFDAE其中所共的点叫做完全四边形的Miquel点证明：这里运用Miquel定理作为证明MiquelMiquel设垂直，垂直，延长交于则问题等价于证明垂直连四边形是完全四边形所以由完全四边形的定理（引理），，，共点注意到所以，，D，E四点共圆所以与交于点和B因此完全四边形FACDBE的点非P则B而A，E，B是同一直线上三点因此A，E，F，B不可能共圆因此P是完全四PDBCPEABDECAFPFACPFAFCDBEABCBDEAEFCDFPEBPDBPBABCBDEPMiquel边形FACDBE的点由此P，E，F，A四点共圆则PFA=90今逆定理证略从这个证明我们看到Miquel定理的威力不仅在于圆共点，而且对于共点圆也同样适用在有了Simson定理之后，我们可以运用Simson定理来给予完全四边形的Miquel定理一个新的证明（即前面的引理）证明：设与非的一个交点为M，过M作MP垂直BE，MQ垂直EC，其余同理。因为M在上，由定理，是共线的三点同理对ΔCDF运用Simson定理，有QRS也是共线的三点因此P，Q，R，S四点共线而注意到，，是点M对Δ三边的垂直且共线欲Simson定理逆定理，得A，M，D，E四点共圆同理A，B，F，M四点共圆因此，，，共点于BCECDFCBCESimsonPQR