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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 等式与变形
等式说的是左右两边数值相同。给两边同时加同一个数,相等关系仍成立;乘同一个数也一样。但若要从变形后的式子倒推原式,除数或乘数必须非零。解方程要求来回都成立,叫等价变形。
这节学会什么
- 能解释:从天平理解等式
- 能说明并应用:为什么要写条件
从天平理解等式
等式说的是左右两边数值相同。给两边同时加同一个数,相等关系仍成立;乘同一个数也一样。但若要从变形后的式子倒推原式,除数或乘数必须非零。解方程要求来回都成立,叫等价变形。
为什么要写条件
由 x(x−1)=0 直接除以 x 会漏掉 x=0。正确做法是利用零乘积:两个实数乘积为零,至少一个为零,所以 x=0 或 x=1。分式方程清分母前先记录分母非零,最后检查解。
从等式到不等式
两边加同一个数不改变大小。乘正数保持方向,乘负数反向,因为数轴被翻转。例如 −2x<6 等价于 x>−3。若乘数含参数且符号未知,就必须分情况,不能照抄方向。
跟着做:把方法走一遍
示范:从天平理解等式
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x=6。
- 两边除以非零数3,得x−2=4。
- 两边加2,得x=6;代入原式3×4=12。
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x=0或3。
- 乘积为零给出x=0或x−3=0。
- 约去x相当于预先要求x≠0,会漏解0。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 等式与变形
x²+6x与(x+3)²只差9,所以x²+6x=(x+3)²−9。加9又减9才能保持原式不变。一般x²+px=(x+p/2)²−p²/4。
这节学会什么
- 能解释:从缺了一角的平方看起
- 能说明并应用:推广到首项系数不是1
从缺了一角的平方看起
x²+6x与(x+3)²只差9,所以x²+6x=(x+3)²−9。加9又减9才能保持原式不变。一般x²+px=(x+p/2)²−p²/4。
推广到首项系数不是1
ax²+bx+c=a[x²+(b/a)x]+c=a(x+b/(2a))²+c−b²/(4a),前提a≠0。先提a,再对括号内部的一次项系数取一半。
同一结构解决两个问题
解方程时把平方单独留在一边,检查右边是否非负再开方。求最值时利用平方≥0:a>0得到下界,a<0得到上界;还要确认定义域是否允许x=−b/(2a)。
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示范:从缺了一角的平方看起
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(x−2)²+3,最小值3。
- x²−4x=(x−2)²−4,原式=(x−2)²+3。
- 平方非负且x=2可取,最小值3。
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3,在x=2取得。
- 提−2并配方,得到−2(x−2)²+3。
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配方与取等
一元二次式 ax²+bx+c=a(x+b/(2a))²+c−b²/(4a),其中a≠0。a>0时给出下界,a<0时给出上界;仍需检查顶点能否落在允许的定义域内。
配方得到最值界后,要把取等条件代回原式、参数范围与定义域;不能只凭平方项可以为零就断定下界能够达到。
例6配成(x−1)²−2后核验整个区间;例12经换元得到(b−2)²后,还需结合b≤0决定最小值。
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例题 6 · 端点与中点共同确定二次函数
f(x)=x²+bx+c 满足 −1≤x≤3 时 |f(x)|≤2,求 f(x)。
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f(x)=x²−2x−1。
- 恒等式 f(−1)+f(3)−2f(1)=8,而条件给出左边≤2+2+4=8。
- 故必须同时取等:f(−1)=f(3)=2,f(1)=−2。解得 b=−2、c=−1。
- 检验 f(x)=(x−1)²−2 在 [−1,3] 上的值域为 [−2,2]。
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例题 12 · 根式关系降为单参数最值
已知 a<0,b≤0,c>0,且 √(b²−4ac)=b−2ac,求 b²−4ac 的最小值。
原题勘误与整理备注原题“6≤0”→修正“b≤0”,依据用户确认。
原题“√(b²−4ax)=b−2ac”→修正“√(b²−4ac)=b−2ac”,依据用户确认。
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最小值为4;当 b=0、ac=−1 时取得。
- 令 t=−ac>0,则原条件为 √(b²+4t)=b+2t。平方并整理得 4t=4bt+4t²;t>0,可除以4t,得到 t=1−b。
- 代回后右端 b+2t=2−b>0,平方没有引入增根。目标 b²+4t=(b−2)²;b≤0 时最小值为4,在 b=0、t=1 时达到。
- 例如 a=−1、b=0、c=1 满足全部原条件。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 多项式与因式分解
展开把乘积变成和:x(x+3)=x²+3x。因式分解反过来把和写成乘积:x²+3x=x(x+3)。共同因子可以是一个数、一个字母,也可以是一整个括号。
这节学会什么
- 能解释:展开与分解是两个方向
- 能说明并应用:先找结构再计算
展开与分解是两个方向
展开把乘积变成和:x(x+3)=x²+3x。因式分解反过来把和写成乘积:x²+3x=x(x+3)。共同因子可以是一个数、一个字母,也可以是一整个括号。
先找结构再计算
平方差 a²−b²=(a−b)(a+b) 可由展开验证。完全平方 a²±2ab+b²=(a±b)² 的中间项必须是±2ab。x²+6x+9是平方,x²+6x+8则是(x+2)(x+4)。
把结构用于方程
x²+6x+8=0 分解后是(x+2)(x+4)=0,因此两根为−2、−4。只有乘积为零才能逐因子置零,不能把 x²+6x+8=7 的每个因子都设为7。
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示范:展开与分解是两个方向
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(3x−2)²。
- 首末项分别是(3x)²与2²。
- 中间项−12x=−2×3x×2,符合完全平方。
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自检:展开与分解是两个方向
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x=3或−3。
- 平方差分解为(x−3)(x+3)=0。
- 分别令因子为0。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 多项式与因式分解
对多项式P,若P(r)=0,则P(x)含因子x−r;反过来有这个因子也必有零点r。直观上用x−r除P,余数是常数,把x=r代入就得到余数P(r)。
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- 能解释:代入零点找到因子
- 能说明并应用:整数条件缩小尝试范围
代入零点找到因子
对多项式P,若P(r)=0,则P(x)含因子x−r;反过来有这个因子也必有零点r。直观上用x−r除P,余数是常数,把x=r代入就得到余数P(r)。
整数条件缩小尝试范围
首一整系数多项式若有整数根r,则r整除常数项。例如x²−5x+6的整数根只需试±1、±2、±3、±6。一般有理根还涉及首项系数,不能一概只看常数项。
从一个因子到整体证明
找到因子后做除法或比较系数,写出剩余因子,再判断符号、整数性或剩余根。用几个整数试验“看起来成立”不是恒等证明,最终要展开核验。
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示范:代入零点找到因子
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已知P(x)=x³−2x²−x+2,利用x=1分解。
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(x−1)(x−2)(x+1)。
- P(1)=0,所以含x−1。
- 分组x²(x−2)−1(x−2)=(x−2)(x²−1),再用平方差。
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自检:代入零点找到因子
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只能是±1、±3;还要代入检验。
- 整数根必须整除常数项,但这些候选不一定全是根。
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方法与条件
若整系数二次多项式有整数根r,可分解为(x−r)(ax+d),其中d为整数。
数位组成的整数可视作多项式在10处的值。若两因子的值都大于1,会与质数条件矛盾。
利用整除筛选参数后,仍须回代原题,并排除最高次项为0等退化情况。
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例题 9 · 质数数位与整系数方程
设p=三位数abc(即100a+10b+c)是质数,证明ax²+bx+c=0无整数解。
原题勘误与整理备注原题abc上方横线表示三位数,题干以文字明确其数位含义,非乘积abc。
查看参考答案与解析
方程无整数解。
- a为1至9的整数,b、c为0至9的整数;三位质数末位c≠0。对x≥0,ax²+bx+c>0,故整数根只能为−d,其中d为正整数。
- 若−d是根,则c=d(b−ad),故e=c/d=b−ad为正整数,且f(x)=(x+d)(ax+e)。
- 于是质数p=f(10)=(10+d)(10a+e),两个因子均为大于1的整数,矛盾。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 多项式与因式分解 → 整值性与整数条件
整系数多项式代入整数必得整数,但反过来不成立。x(x−1)/2有系数1/2、−1/2,却对任意整数x都是整数,因为相邻两整数的乘积一定为偶数。
这节学会什么
- 能解释:整值不等于整系数
- 能说明并应用:二次式的自然基
整值不等于整系数
整系数多项式代入整数必得整数,但反过来不成立。x(x−1)/2有系数1/2、−1/2,却对任意整数x都是整数,因为相邻两整数的乘积一定为偶数。
二次式的自然基
二次多项式可以写成A·x(x−1)/2+B·x+C,其中C=f(0)、B=f(1)−f(0)、A=f(2)−2f(1)+f(0)。这三个数若是整数,所有整数输入的输出都是整数。
为什么检查三个连续点有效
对次数至多2的多项式,f(0)、f(1)、f(2)为整数就使A、B、C全整数,于是推出整值性质。若次数更高则不能只查三点;更换取样点也要重新证明对应基的整值性。
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示范:整值不等于整系数
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说明f(x)=(x²+x)/2对所有整数x取整数值。
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是整值多项式。
- x与x+1中必有一个偶数,所以乘积除2仍为整数。
- 这不要求原幂次展开的系数都是整数。
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自检:整值不等于整系数
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次数至多2,f(0)=1、f(1)=2、f(2)=5,求f(3)。
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10。
- C=1、B=1、A=5−4+1=2。
- f(3)=2×3×2/2+3+1=10。
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方法与条件
x(x−1)对整数x恒为偶数,(x−1)x(x+1)恒被6整除。
把多项式写成这些整值基底的整数倍,就能证明整数取值,负整数同样适用。
“对整数取值为整数”不等于“所有系数都是整数”。
概念与方法
由f(1)+f(−1)−2f(0)=2a可知整点抛物线的2a是整数;a≠0给|a|≥1/2。
y=x(x−1)/2给出达到|a|=1/2的例子,因此下界准确。
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例题 7 · 二次多项式的整数值条件
f(x)=ax²+bx+c 满足 2a、a−b、c 都是整数。求证:对任意整数 x,f(x) 均为整数。
查看参考答案与解析
对任意整数 x,f(x) 为整数。
- 改写 f(x)=2a·x(x+1)/2−(a−b)x+c。
- 两个连续整数的乘积为偶数,故 x(x+1)/2 为整数(负整数同样成立);其余系数均为整数,因此整个式子为整数。
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例题 8 · 三次多项式的整数值分解
f(x)=ax³+bx²+cx+d,若 6a、2b、a+b+c、d 都是整数,求证:对任意整数 x,f(x) 均为整数。
查看参考答案与解析
对任意整数 x,f(x) 为整数。
- 恒等分解 f(x)=6a·(x³−x)/6+2b·x(x−1)/2+(a+b+c)x+d。
- x³−x=(x−1)x(x+1) 是三个连续整数的乘积,必被6整除;x(x−1)必被2整除。因此每一项都是整数。
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例题 9 · 整点抛物线的首项系数下界
若二次函数y=ax²+bx+c在任意整数x时函数值均为整数,称其图像为整点抛物线。(1)写出一条|a|<1的整点抛物线;(2)是否存在|a|<1/2的整点抛物线?说明。
查看参考答案与解析
(1)示例y=x(x−1)/2;(2)不存在。
- (1)两个连续整数乘积为偶数,故示例对全部整数x取整数值,且a=1/2。
- (2)若整点抛物线存在,则f(1)+f(−1)−2f(0)=2a为整数。二次函数要求a≠0,所以|2a|≥1,即|a|≥1/2,矛盾。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 平方根与定义域
√a定义为平方等于a的非负实数,因此实数范围要求a≥0。√9=3,而方程x²=9有x=±3两个解。这是一个运算结果与一个方程解集的区别。
这节学会什么
- 能解释:根号表示哪一个数
- 能说明并应用:绝对值不能丢
根号表示哪一个数
√a定义为平方等于a的非负实数,因此实数范围要求a≥0。√9=3,而方程x²=9有x=±3两个解。这是一个运算结果与一个方程解集的区别。
绝对值不能丢
√(x²)=|x|。例如x=−5时根号结果为5。√(u+v)一般不能拆为√u+√v,取u=v=1立即得到√2≠2。能拆乘积的前提是实数根式均有意义。
先圈出允许的输入
处理√(2x−6)先得x≥3。若它还在分母中,则要求x>3。平方方程可能加入不满足原式符号的候选解,所以解出后回代原式。
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示范:根号表示哪一个数
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2−x。
- 根式等于|x−2|。
- x−2<0,因此绝对值等于−(x−2)。
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自检:根号表示哪一个数
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无实数解。
- 根号结果非负,不可能等于−2。
- 两边平方虽得x=3,但代回是2≠−2,是增根。
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数与代数 → 代数基础:运算与表达 → 平方根与定义域 → 根式换元与最值
遇到√g(x),可令t=√g(x)≥0。若原式能写成t的二次式,就把复杂根式变成区间最值。必须确定t真正能取到哪些值,不能只写非负就结束。
这节学会什么
- 能解释:先把根式看成带限制的变量
- 能说明并应用:根号里的和差不能拆
先把根式看成带限制的变量
遇到√g(x),可令t=√g(x)≥0。若原式能写成t的二次式,就把复杂根式变成区间最值。必须确定t真正能取到哪些值,不能只写非负就结束。
根号里的和差不能拆
√(b²−4ac)一般不等于b−2ac,也不等于|b|−2√(ac)。正确变形要依据平方、配方或共轭有理化,并检查实数定义域。讲义排印符号修正仍以原题备注为准。
最值需要同时考虑参数条件
求下界后要找满足全部约束的参数或x。若只有趋近的值而取不到,要写下确界;若仍含自由参数,就说明答案依赖它,而不是自行赋值。
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示范:先把根式看成带限制的变量
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2,在x=1取得。
- 令t=√x≥0,原式t²−2t+3=(t−1)²+2。
- t=1允许,对应x=1。
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−b。
- √(b²)=|b|,非正数b的绝对值为−b。
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方法与条件
平方前根号外一侧必须非负,平方后的候选参数要代回核验。
若ac的符号确定,可把乘积整体换元,降低变量数。
用配方证明最值后,还要给出满足原条件的取等实例。
进入原讲义例题 · 1
例题 12 · 根式关系降为单参数最值
已知 a<0,b≤0,c>0,且 √(b²−4ac)=b−2ac,求 b²−4ac 的最小值。
原题勘误与整理备注原题“6≤0”→修正“b≤0”,依据用户确认。
原题“√(b²−4ax)=b−2ac”→修正“√(b²−4ac)=b−2ac”,依据用户确认。
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最小值为4;当 b=0、ac=−1 时取得。
- 令 t=−ac>0,则原条件为 √(b²+4t)=b+2t。平方并整理得 4t=4bt+4t²;t>0,可除以4t,得到 t=1−b。
- 代回后右端 b+2t=2−b>0,平方没有引入增根。目标 b²+4t=(b−2)²;b≤0 时最小值为4,在 b=0、t=1 时达到。
- 例如 a=−1、b=0、c=1 满足全部原条件。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
查看关联的全部错题复习记录暂无复习记录。收到 review 材料后,正确和错误的作答都会在这里保留。
数与代数 → 方程:从根到解集 → 一元二次方程
ax²+bx+c=0中a≠0,才能除以a并使用二次公式。若a含参数,先单独处理a=0,这时可能变成一次方程。
这节学会什么
- 能解释:先确认是二次方程
- 能说明并应用:公式从配方得到
先确认是二次方程
ax²+bx+c=0中a≠0,才能除以a并使用二次公式。若a含参数,先单独处理a=0,这时可能变成一次方程。
公式从配方得到
两边乘4a并整理:(2ax+b)²=b²−4ac。记Δ=b²−4ac。Δ≥0时2ax+b=±√Δ,于是x=(−b±√Δ)/(2a)。Δ<0时左边平方不可能等于负数,实数范围无解。
代入时保持整体
−b不是把b直接照抄;分母2a除整个分子。b为负数、a为负数时尤其需要括号。求出后用代入或根的和积检查,避免仅凭计算器近似数判断。
跟着做:把方法走一遍
示范:先确认是二次方程
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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x=2或−1/2。
- a=2、b=−3、c=−2,Δ=9+16=25。
- x=(3±5)/4,分别为2与−1/2。
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自检:先确认是二次方程
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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没有。
- Δ=4−20=−16<0;也可配方为(x+1)²+4=0。
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数与代数 → 方程:从根到解集 → 一元二次方程
对实系数二次方程a≠0,Δ=b²−4ac控制实根个数:Δ>0两个不等实根,Δ=0一个二重实根,Δ<0无实根。它并不直接告诉根是正还是负。
这节学会什么
- 能解释:判别式究竟判什么
- 能说明并应用:为什么只有三种情况
判别式究竟判什么
对实系数二次方程a≠0,Δ=b²−4ac控制实根个数:Δ>0两个不等实根,Δ=0一个二重实根,Δ<0无实根。它并不直接告诉根是正还是负。
为什么只有三种情况
配方后(2ax+b)²=Δ。正数有两个相反的平方根,0只有平方根0,负数不是实数平方,因此三种根数一一对应。
与图像衔接
f(x)=a(x+b/(2a))²−Δ/(4a)。顶点纵坐标为−Δ/(4a)。开口向上时顶点在轴下对应两个交点;开口向下时要相应翻转上下判断,Δ的根数结论仍不变。
跟着做:把方法走一遍
示范:判别式究竟判什么
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m=1。
- Δ=4−4m,重根要求Δ=0,解得m=1。
- 原式为(x−1)²=0。
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自检:判别式究竟判什么
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不能。
- x²−1=0有Δ=4>0,但根为1与−1。
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条件与用法
在 A≠0 的前提下,Δ=B²−4AC。Δ>0 有两个不同实根,Δ=0 有重根,Δ<0 无实根。
要求“所有根在区间内”可允许重根;要求“不相等的实根”或“两个交点”则必须 Δ>0。
证明 Δ>0 时可配方为“平方项+严格正项”,例8的 Δ=(b−2a)²−4a(a−b+c)。
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例题 8 · 由符号条件证明判别式为正
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b²−4ac>0。
- 恒等变形:b²−4ac=(b−2a)²−4a(a−b+c)。
- 第一项非负,第二项由已知条件严格为正,因此 b²−4ac>0。也可把 a(a−b+c)=a·f(−1)<0 看作两根分居 −1 两侧,从而判别式为正。
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例题 10 · 实根条件约束正系数的和
正数a、b、c使ax²+bx+c=0有实根,证明4min{a,b,c}≤a+b+c≤(9/4)max{a,b,c}。
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两端不等式成立。
- 实根条件b²≥4ac,故b≥2√(ac)。设小者为m,则a+c≥2m、b≥2m,得到和≥4m。a=c=m、b=2m时下界取等。
- 为证上界,以M=max{a,b,c}归一化,令A=a/M、B=b/M、C=c/M,均在(0,1],且AC≤B²/4。
- 由(1−A)(1−C)≥0得A+C≤1+AC。因此A+B+C≤1+B+B²/4≤9/4。取A=1、B=1、C=1/4时上界取等。
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例题 11 · 二次函数比值的全局上下界
设二次函数f(x)=x²+ax+b(a≠1)和g(x)=x²+x+1。(1)证明存在两个不同实数m,使f(x)−mg(x)=0有两个相等实根;(2)设这两个m为m₁<m₂,证明对一切实数x,m₁g(x)≤f(x)≤m₂g(x);(3)若a²=4b−3,证明2√(f(x)g(x))≤f(x)+g(x)≤(√m₁+√m₂)√(f(x)g(x))恒成立。
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(1)m₁、m₂为−3m²+(4b+4−2a)m+a²−4b=0的两根,且m₁<1<m₂;(2)(3)所述不等式成立。
- (1)f−mg=(1−m)x²+(a−m)x+b−m。令其判别式D(m)=(a−m)²−4(1−m)(b−m)=−3m²+(4b+4−2a)m+a²−4b。
- D(1)=(a−1)²>0,而D(m)在m趋于正负无穷时均趋于负无穷,故有两个不同零点m₁<1<m₂。两者都不等于1,方程保持二次,判别式为0,所以各有重实根。
- (2)在m₁处,首项系数1−m₁>0且判别式0,故f−m₁g≥0;在m₂处首项系数负,故f−m₂g≤0,得到夹逼。
- (3)a²−4b=−3,故f恒正;g=(x+1/2)²+3/4恒正。D的根积m₁m₂=1,结合m₁<1<m₂,得0<m₁<1<m₂。
- 令u=√(f/g),则√m₁≤u≤√m₂。下界由(u−1)²≥0得u²+1≥2u;上界由(u−√m₁)(u−√m₂)≤0及√(m₁m₂)=1得u²+1≤(√m₁+√m₂)u。两边乘g>0即得结论。
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例题 6 · 根的对称式与判别式筛选
ax²−2(a−1)x+3(a−1)=0有两个不相等实根x₁、x₂,且x₁x₂²+x₁²x₂=24,求a。
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a=1/3。
- a≠0。韦达定理给SP=6(a−1)²/a²=24,故a=−1或1/3。
- Δ=−4(a−1)(2a+1)>0;a=−1不满足,a=1/3满足。
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数与代数 → 方程:从根到解集 → 一元二次方程
二次式有实根r、s时,a(x−r)(x−s)=ax²−a(r+s)x+ars。比较系数得r+s=−b/a、rs=c/a。使用符号判断前,先确保实根存在。
这节学会什么
- 能解释:从因式展开得到和积
- 能说明并应用:用和积判断符号
从因式展开得到和积
二次式有实根r、s时,a(x−r)(x−s)=ax²−a(r+s)x+ars。比较系数得r+s=−b/a、rs=c/a。使用符号判断前,先确保实根存在。
用和积判断符号
rs<0说明两根异号,且对实系数二次式这也保证Δ>0。rs>0说明两根同号,再看和:和正则都正,和负则都负。rs=0时至少一根为0,不能称为两正根或两负根。
把边界一起写清
两个不等正根需Δ>0、−b/a>0、c/a>0;允许重根时Δ≥0。如果只写和正、积正而忘了Δ,x²−2x+2就是反例:和积形式都正却无实根。
跟着做:把方法走一遍
示范:从因式展开得到和积
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两个不等正根。
- Δ=25−24=1>0,根为实数且不同。
- 和5>0、积6>0,故两根同正。
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自检:从因式展开得到和积
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异号。
- 积−4<0。
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条件与用法
二次方程 Ax²+Bx+C=0 的根和为 −B/A,根积为 C/A,需 A≠0。
异号两根等价于 C/A<0,自动保证两个不同实根;异号时负根绝对值较大等价于根和<0。
两个正根需要实根条件、根和>0、根积>0。进一步要求根小于某端点时,还需位置约束,不能只看根和与根积。
把 a、b 当作某一二次方程的两根,可将三元对称条件化为单参数根的位置问题,如例7。
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例题 2 · 异号根与绝对值大小
方程 (m+3)x²−4mx+2m−1=0 有异号的两根,且负根的绝对值较大。求 m 的取值范围。
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−3<m<0。
- 异号两根要求 (2m−1)/(m+3)<0,得到 −3<m<1/2;该条件已保证两实根不同且 m≠−3。
- 负根的绝对值较大等价于两根之和小于 0,即 4m/(m+3)<0。在前述区间分母为正,故 m<0。交集为 (−3,0)。
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例题 7 · 三元条件转化为两根位置
实数满足 a>b>c,a+b+c=1,a²+b²+c²=1。求 a+b 的取值范围。
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1<a+b<4/3。
- 设 s=a+b=1−c。由 a²+b²=1−c² 得 ab=c²−c。因此 a、b 是 t²−(1−c)t+c²−c=0 的两根。
- a>b 要求 D=1+2c−3c²=(1−c)(1+3c)>0,即 −1/3<c<1。较小根 b=(1−c−√D)/2 还须大于 c,所以 1−3c>√D。
- 先要求 c<1/3,再平方得 4c(3c−2)>0。在 −1/3<c<1/3 内只能取 −1/3<c<0。反过来,此区间保证以上所有严格不等式,故范围完整。
- 于是 s=1−c 的范围是 (1,4/3)。两个端点分别导致 b=c 或 a=b,不能取。
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例题 2 · 用根的区间求系数表达式范围
方程 x²−ax+b=0 的两根 x₁、x₂ 满足 −1≤x₁≤1,1≤x₂≤2,求 a−2b 的取值范围。
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−1≤a−2b≤5。
- 由韦达定理,a−2b=x₁+x₂−2x₁x₂。这是分别关于每个变量的一次式,矩形区域上的最大最小值在顶点取得。
- 四顶点 (−1,1)、(−1,2)、(1,1)、(1,2) 对应 2、5、0、−1。故范围为 [−1,5],所有值由连续性取得。
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例题 1 · 根和对应的函数值
抛物线 y=f(x) 与y轴交于(0,−3),f(x)=0 的两根为x₁、x₂,则f(x₁+x₂)是多少?
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−3。
- 设 f(x)=ax²+bx−3,a≠0。根和x₁+x₂=−b/a,代入得 f(−b/a)=b²/a−b²/a−3=−3。
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例题 11 · 两抛物线交点的等距排列
两条抛物线y=x²+ax+b和y=x²+bx+a与x轴共有4个不同交点,且相邻两个交点之间距离都相等,求a、b。
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(a,b)=(0,−4)或(−4,0)。
- 设四根依次r、r+d、r+2d、r+3d,d>0。两方程在x=1的值都为1+a+b,且不能为0(否则共享根1),因此根据四根分为两组的三种方式分类。
- 若外侧两根配一组、内侧两根配一组,两组根和相同推出a=b,两抛物线相同,与4根互异矛盾。
- 若相邻配对:一组r,r+d,另一组r+2d,r+3d,由x=1处两乘积相等得r=1−3d/2。根和给出a=−2+2d、b=−2−2d(或交换),根积再给出3+3d²/4=0,不可能。
- 若交错配对:一组r,r+2d,另一组r+d,r+3d,同理r=1−3d/2。根和为−a=2−d、−b=2+d;根积与另一系数相等给出3−3d²/4=0,故d=2,得到(0,−4)或交换。
- 检验两式为x²−4与x²−4x,根为−2、0、2、4,确有4个等距不同交点。
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例题 12 · 直线与抛物线交点的横向距离
二次函数f(x)=ax²+bx+c和一次函数g(x)=−bx满足a>b>c且a+b+c=0。(1)证明图像交于不同两点A、B;(2)证明方程f(x)−g(x)=0的两根都小于2;(3)求线段AB在x轴上的射影A₁B₁长度范围。
原题勘误与整理备注原文明确g(x)=−bx为一次函数,因此保留b≠0,并从投影长度范围中排除L=2;这是定义条件核对,不是更改题干。
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(1)(2)成立;(3)√3<L<2 或 2<L<2√3,其中L=A₁B₁。
- 由a>b>c及和0得a>0,c<0。令t=b/a,则a>b给t<1,b>c=−a−b给t>−1/2。原题还称g为一次函数,故b≠0,即t≠0。
- 交点横坐标解ax²+2bx+c=0,除以a得x²+2tx−1−t=0,两根为−t±√(t²+t+1)。根号内=(t+1/2)²+3/4>0,故两交点不同。
- 大根小于2等价于√(t²+t+1)<t+2;右边>0,平方后差为(t+2)²−(t²+t+1)=3(t+1)>0,所以两根都<2。
- x轴投影长度等于两横坐标之差L=2√((t+1/2)²+3/4)。在−1/2<t<1时此式严格递增,整体范围为(√3,2√3),但t=0被一次函数条件排除且唯一对应L=2,因此最终为(√3,2)∪(2,2√3)。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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数与代数 → 方程:从根到解集 → 一元二次方程
含参数的式子写着x²,不等于任何参数下都是二次。例:(m−1)x²+2x−3=0,m=1时x²项消失,变成2x−3=0。
先看最高次系数
含参数的式子写着x²,不等于任何参数下都是二次。例:(m−1)x²+2x−3=0,m=1时x²项消失,变成2x−3=0。
完整分类
对A(m)x²+B(m)x+C(m)=0:A≠0时按二次处理;A=0、B≠0时为一次;A=B=0、C≠0无解;三者全0时任意x都满足。
为什么会漏解
若先除A、套求根公式、使用对称轴或韦达,就已假设A≠0。把退化值单列,再处理其他参数,最后合并解集。题目明确“二次函数”则A=0应排除而不是作为一次函数继续。
跟着做:把方法走一遍
示范:先看最高次系数
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x=1。
- m=0后原式变为x−1=0。
- 不能代入分母含2m的二次公式。
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自检:先看最高次系数
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m=0任意实数x;m≠0只有x=0。
- 先按m是否为零分类,分别化简。
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条件与用法
原题只称“方程”时,二次项系数为零应代回检查一次方程;不能先除以参数而漏解。例6的 m=0、例11的 m=1 都符合原题。
原题明确“一元二次方程”或要求“两根”时,二次项系数必须非零。若所有系数均为零,需按恒等式单独检查题目所需的存在性,例如例12。
闭区间、开区间、不同实根、两个交点分别影响端点与重根的允许性。每个候选端点应代回原要求,而不是只看变形后的不等式。
进入原讲义例题 · 7
例题 1 · 用端点异号证明恒有实根
求证:对所有实数 a,方程 (a³−2a²+7a)x²−(a³+4a²+9a+6)x+5a²+4=0 至少有一个实根。
查看参考答案与解析
对所有实数 a,方程在 (0,1) 内至少有一个实根。
- 令左端为 f(x)。f(0)=5a²+4>0,而 f(1)=−a²−2a−2=−(a+1)²−1<0。
- 多项式函数连续,所以在 (0,1) 内至少有一个零点。此方法不要求二次项系数非零;a=0 时方程退化为 −6x+4=0,根为 2/3,同样符合结论。
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例题 6 · 所有根在区间内与降次检查
方程 mx²−2(m+5)x+m+22=0 的所有根在 (2,5) 内。求 m 的取值范围。
原题勘误与整理备注原题未称“一元二次方程”,因此按原式保留 m=0 的退化情形;不把无实根解释为条件自动成立。
查看参考答案与解析
m=0,或 7/4<m≤25/12。
- 先检查退化:m=0 时,−10x+22=0 的唯一根为 11/5,符合。
- m≠0 时需有实根,判别式 Δ=4(25−12m)≥0;对称轴 x=1+5/m 必须在 (2,5) 内。后者排除 m<0,并得到 5/4<m<5。
- 此时 m>0,还需 f(2)=m+2>0、f(5)=16m−28>0,故 m>7/4。结合判别式得 7/4<m≤25/12。
- m=25/12 时两根重合在 x=17/5,仍在区间内;m=7/4 时有根 5,排除。这里“所有根”按存在实根且全部实根在该区间理解。
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例题 11 · 所有根为小于一的正数
若关于 x 的方程 (1−m²)x²+2mx−1=0 的所有根都是比 1 小的正实数根,求实数 m 的取值范围。
原题勘误与整理备注原题为“关于 x 的方程”,未限定必须为二次,故 m=1 必须单独保留。
查看参考答案与解析
m=1,或 m>2。
- 恒等分解:[(1−m)x+1][(1+m)x−1]=0。
- m≠±1 时两个根为 1/(m+1)、1/(m−1)。两者都在 (0,1) 内,分别要求 m>0 与 m>2,合并为 m>2。
- m=1 时原式为 2x−1=0,唯一根 1/2 符合;m=−1 时根 −1/2 不符合。m=2 有根 1,须排除。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 12 · 分式系数关系与区间选点
设实数 a、b、c、m 满足 a/(m+2)+b/(m+1)+c/m=0,且 a≥0、m>0。求证:方程 ax²+bx+c=0 有一根 x₀,满足 0<x₀<1。
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存在 x₀∈(0,1) 使 ax₀²+bx₀+c=0。
- m>0 保证三个分母均非零。设 t=(m+1)/(m+2),则 0<t<1,由条件 b=−(m+1)[a/(m+2)+c/m]。
- 令 f(x)=ax²+bx+c,代入得到 f(t)=−c/[m(m+2)]。若 c≠0,则 f(0)f(t)=−c²/[m(m+2)]<0,连续性保证在 (0,t) 内有根。
- 若 c=0 且 a>0,则 f(x)=ax[x−(m+1)/(m+2)],t 就是所需根。若 a=c=0,条件给出 b=0,原式恒为零,可取 x₀=1/2。
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例题 11 · 区间端点与最值的自洽关系
设函数 f(x)=−x²/2+13/2 在 a≤x≤b 的范围内最小值为2a,最大值为2b,求实数对 (a,b)。
原题勘误与整理备注原题:a≤x≤b,未要求a<b。整理保留a=b的两个退化区间解;不是更改原题。
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(1,3)、(−2−√17,13/4)、(−2+√17,−2+√17)、(−2−√17,−2−√17)。
- 原题允许 a=b。此时 f(a)=2a,解 a²+4a−13=0,得到两个单点区间解。
- 以下设 a<b。若 0≤a<b,函数递减,所以 a²+4b=13,b²+4a=13。相减得 (a−b)(a+b−4)=0,故 a+b=4,解得 (a,b)=(1,3)。
- 若 a<b≤0,函数递增,要求 f(a)=2a、f(b)=2b。但这两个等式在非正数中仅有同一解 −2−√17,与 a<b 矛盾。
- 若 a<0<b,最大值为13/2,故 b=13/4。若 |a|≤b,则最小值 f(b)=39/32>0,迫使 a>0,矛盾。故 |a|>b,最小值为 f(a)=2a,取负根 a=−2−√17;确有 |a|>13/4。
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例题 8 · 系数线性关系保证区间内有根
已知a/4+b/3+c/2=0,求证ax²+bx+c=0至少有一根x₀∈(0,1)。
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至少有一根在(0,1)。
- 由条件b=−3a/4−3c/2。令f(x)=ax²+bx+c,则f(0)=c,f(3/4)=−c/8。
- c≠0时两值异号,连续性保证(0,3/4)内有根。
- c=0时f(x)=ax(x−3/4);a≠0可取x₀=3/4,a=0则b=0、原式恒为零,可取x₀=1/2。
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例题 1 · 按次数和系数判断函数类型
(1)已知y=(m²+m)x^(m²−m)+(m²+3m+2)x+m²+2,当m为何值时函数是二次函数?(2)已知y=ax²+bx+c,分别说明a、b、c满足什么条件时它是一次函数、正比例函数、二次函数。
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(1)m=2。(2)一次:a=0,b≠0,c任意;正比例:a=0,b≠0,c=0;二次:a≠0,b和c任意。
- (1)二次项指数需m²−m=2,解得m=2或−1。还需其系数m²+m≠0,排除m=−1,故m=2。
- (2)函数类型由最高非零项决定:一次项必须非零才是一次函数;正比例还需常数项为零;二次函数必须a≠0。
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数与代数 → 方程:从根到解集 → 一元二次方程
设两根r、s,和S=r+s、积P=rs。r²+s²=S²−2P;r³+s³=S³−3PS;1/r+1/s=S/P(P≠0)。这些都不必先写根式求根。
这节学会什么
- 能解释:先找交换两根后不变的式子
- 能说明并应用:推导比死记更可靠
先找交换两根后不变的式子
设两根r、s,和S=r+s、积P=rs。r²+s²=S²−2P;r³+s³=S³−3PS;1/r+1/s=S/P(P≠0)。这些都不必先写根式求根。
推导比死记更可靠
展开(r+s)²=r²+2rs+s²,把2P移项就得平方和。三次公式同理由展开,再把3r²s+3rs²合成3PS。分式先通分,再把分子改写成S、P。
分母条件要额外查
原式1/(1−r)+1/(1−s)的分母乘积是1−S+P,必须非零。方程有两个实根并不排除根为1,不能在通分约去参数后忘记这个禁值。
跟着做:把方法走一遍
示范:先找交换两根后不变的式子
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19。
- S=5、P=3,所以S²−2P=25−6=19。
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5/3。
- P=3非零,所以S/P=5/3。
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从和与积到对称式
由a(x−r)(x−s)=ax²−a(r+s)x+ars可得r+s=−b/a、rs=c/a。若目标对交换r、s不变,优先尝试改写成和与积。
例如例11中S=x₁+x₂=4−2m,P=x₁x₂=m²−3m+3,因此x₁²+x₂²=S²−2P=2m²−10m+10,无需解出含根号的两个根。
分式先检查分母:这里(1−x₁)(1−x₂)=1−S+P=m(m−1),因此m=0、1不能直接代入分式。通分与约分不会恢复原来不存在的值。
计算所得参数还须满足原方程二次项非零、实根个数和根的位置等前提;代数方程的候选解不一定是原问题的解。
概念、推导与边界
对ax²+bx+c=0且a≠0,设根为r、s。展开a(x−r)(x−s)得到r+s=−b/a、rs=c/a,这就是根与系数关系的来源。
常用变形:r²+s²=(r+s)²−2rs;rs²+r²s=rs(r+s)。先识别整体结构能减少根式运算。
例:ax²−2(a−1)x+3(a−1)=0中,rs(r+s)=6(a−1)²/a²=24,先得到a=−1或1/3,再用两不同实根要求Δ>0筛到1/3。求出的代数参数必须代回方程存在性条件。
复合方程f(f(x))=0可先设外层二次函数的根为α、β,再分为f(x)=α与f(x)=β。四个不同实根要求两条水平线各与抛物线有两个不同交点,不能只检查外层有两根。
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例题 11 · 两抛物线交点的等距排列
两条抛物线y=x²+ax+b和y=x²+bx+a与x轴共有4个不同交点,且相邻两个交点之间距离都相等,求a、b。
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(a,b)=(0,−4)或(−4,0)。
- 设四根依次r、r+d、r+2d、r+3d,d>0。两方程在x=1的值都为1+a+b,且不能为0(否则共享根1),因此根据四根分为两组的三种方式分类。
- 若外侧两根配一组、内侧两根配一组,两组根和相同推出a=b,两抛物线相同,与4根互异矛盾。
- 若相邻配对:一组r,r+d,另一组r+2d,r+3d,由x=1处两乘积相等得r=1−3d/2。根和给出a=−2+2d、b=−2−2d(或交换),根积再给出3+3d²/4=0,不可能。
- 若交错配对:一组r,r+2d,另一组r+d,r+3d,同理r=1−3d/2。根和为−a=2−d、−b=2+d;根积与另一系数相等给出3−3d²/4=0,故d=2,得到(0,−4)或交换。
- 检验两式为x²−4与x²−4x,根为−2、0、2、4,确有4个等距不同交点。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 韦达定理与有理对称式最值
m≥−1,方程x²+2(m−2)x+m²−3m+3=0有两个不相等实根x₁、x₂。(1)若x₁²+x₂²=6,求m;(2)求mx₁²/(1−x₁)+mx₂²/(1−x₂)的最大值。
原题勘误与整理备注原题未显式排除分母为零;补充:第(2)问需m≠0;依据:原分式定义域。
查看参考答案与解析
(1)m=(5−√17)/2;(2)最大值10。
- 判别式4(1−m)>0,故−1≤m<1。由韦达定理S=4−2m,P=m²−3m+3。
- (1)S²−2P=2m²−10m+10=6,筛去大于1的根。
- (2)分母乘积1−S+P=m(m−1),须另排除m=0。通分得m(S²−2P−PS)/(1−S+P)=2m²−6m+2。
- 该函数在[−1,1)递减,在m=−1取得10,分母非零。
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例题 6 · 根的对称式与判别式筛选
ax²−2(a−1)x+3(a−1)=0有两个不相等实根x₁、x₂,且x₁x₂²+x₁²x₂=24,求a。
查看参考答案与解析
a=1/3。
- a≠0。韦达定理给SP=6(a−1)²/a²=24,故a=−1或1/3。
- Δ=−4(a−1)(2a+1)>0;a=−1不满足,a=1/3满足。
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例题 13 · 根的范围证明系数不等式
方程x²+bx+c=0有实根s、t,|s|<2、|t|<2,证明(1)|c|<4;(2)|b|<4+c。
查看参考答案与解析
两结论均成立。
- (1)c=st,故|c|=|s||t|<4。
- (2)f(2)=(2−s)(2−t)>0,f(−2)=(2+s)(2+t)>0,得4+c>2|b|≥|b|,故所证不等式成立。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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数与代数 → 方程:从根到解集 → 换元与高次方程
ax⁴+bx²+c=0只出现x²的整数次幂,可以令t=x²,得到at²+bt+c=0。换元减少次数,但新变量多了一条限制t≥0。
这节学会什么
- 能解释:把重复结构当作一个整体
- 能说明并应用:从t还原x
把重复结构当作一个整体
ax⁴+bx²+c=0只出现x²的整数次幂,可以令t=x²,得到at²+bt+c=0。换元减少次数,但新变量多了一条限制t≥0。
从t还原x
t>0给两个实解x=±√t;t=0只给一个实解x=0;t<0不给实数x。t方程有两根,不代表原方程恰有两根,最多可能有四根。
一般换元的检查顺序
先写替换关系与取值范围,再解新方程,筛掉不允许的t,最后还原并回代。若换元为t=x+1/x,还必须有x≠0且实数t落在(−∞,−2]∪[2,∞),不能仍用t≥0。
跟着做:把方法走一遍
示范:把重复结构当作一个整体
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
查看参考答案与解析
x=±1、±2。
- 令t=x²≥0,得(t−1)(t−4)=0。
- t=1与4均允许,分别开平方得到四根。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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两个:±1。
- t²+t−2=(t−1)(t+2),只保留t=1。
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方法与条件
x只出现偶次幂时可令t=x²,但t必须非负。
正t根产生±√t两根;t=0只产生x=0,重数与不同根个数应区分。
原根的严格区间限制在开平方时需保留方向与符号,不能只比较t根大小。
进入原讲义例题 · 2
例题 10 · 双二次方程四根的位置
方程 mx⁴−(m−3)x²+3m=0 有一根小于−2,其余3根都大于−1,求 m 的取值范围。
查看参考答案与解析
−4/5<m<0。
- m=0 退化为 3x²=0,不能符合。令 t=x²,两个 t 根记为 u<v,原四根为 −√v、−√u、√u、√v。
- 条件等价于 0<u<1、v>4;且 u v=3。只要4位于两个 t 根之间,就有 v>4、u=3/v∈(0,3/4),自动满足。
- 除以 m 后,t方程为 F(t)=t²−(1−3/m)t+3=0。要求 F(4)=15+12/m<0,解得 −4/5<m<0。此时4在根间,乘积3保证另一根也正。端点 m=−4/5 有原根−2,不取。
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例题 4 · 偶四次方程的等差根
方程(x²−1)(x²−4)=k的4根成等差数列,求k。
查看参考答案与解析
k=7/4。
- 方程是偶函数方程,四个实根关于0成对对称。按大小排列为−3t、−t、t、3t,t>0。t=0会使四根全为0,与x²项系数−5矛盾。
- 令u=x²,方程u²−5u+4−k=0,两根t²、9t²,故10t²=5,即t²=1/2。
- 根积9t⁴=4−k=9/4,故k=7/4。代回四根为±1/√2、±3/√2,确成等差数列。
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数与代数 → 不等式与最值方法
先证明所有允许对象都满足F≤M,只说明M是上界。再找一个满足原约束的对象使F=M,才能称最大值。找不到时可能上界不紧,也可能只能趋近。
这节学会什么
- 能解释:证明界与取得界是两件事
- 能说明并应用:每一步等号都要同时成立
证明界与取得界是两件事
先证明所有允许对象都满足F≤M,只说明M是上界。再找一个满足原约束的对象使F=M,才能称最大值。找不到时可能上界不紧,也可能只能趋近。
每一步等号都要同时成立
若F≤G≤M,要使F=M,需要两步同时取等。不能分别找出两种不同对象让各步取等,就宣称原式取到M。列出等号条件后联立检查。
放回原题检查
候选还必须满足非零分母、正数、非退化三角形和开闭区间等限制。课堂边界例不代表孩子已经犯过此错,不写入错题统计。
跟着做:把方法走一遍
示范:证明界与取得界是两件事
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x>0,证明x/(x+1)<1,并判断有无最大值。
查看参考答案与解析
无最大值,上确界1。
- 1−x/(x+1)=1/(x+1)>0,所以始终小于1。
- x增大可使差任意小,但有限x不能取1。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:证明界与取得界是两件事
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x=y=2。
- (x−y)²≥0给xy≤4,等号要求x=y,再联立和为4。
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直接确定与相容性
若已知等式已直接给出目标表达式的值,求值集合只需保留该值;还要给出满足全部条件的实例,确认可取。
例7原题同时给出a²+b²=1并要求该表达式的范围,应按字面整理,不因类似题出现其他条件而擅自改题。
进入原讲义例题 · 1
例题 7 · 已给出的平方和条件
已知实数a、b、c满足a>b>c,a+b+c=1,a²+b²=1,求a²+b²的取值范围。
原题勘误与整理备注原题印“a²+b²=1”,随后求同一表达式;整理按原文答{1}。不因前课出现三平方和题而擅自补入“+c²”。
查看参考答案与解析
取值集合为{1}。
- 原题已经给出a²+b²=1,因此目标只能等于1。
- 条件确有解,例如a=4/5、b=3/5、c=−2/5,满足a>b>c、和为1以及a²+b²=1。
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数与代数 → 不等式与最值方法
要证明P(x)/Q(x)≤M,先确认Q(x)>0,再等价为P(x)−M Q(x)≤0。若Q可负,不等号方向会变;若Q=0,原式无定义。
这节学会什么
- 能解释:分母先决定能否比较
- 能说明并应用:用二次式非负找最佳常数
分母先决定能否比较
要证明P(x)/Q(x)≤M,先确认Q(x)>0,再等价为P(x)−M Q(x)≤0。若Q可负,不等号方向会变;若Q=0,原式无定义。
用二次式非负找最佳常数
当P、Q均为二次式,化成全域二次不等式后可用配方或判别式。最佳M常对应某处等号,也就是差式出现二重根;但必须回查原分母。
一个更短的结构
若P=Q−c且Q有已知范围,分式就是1−c/Q,可直接分析。先寻找这样的分解,再决定是否引入判别式,避免把简单问题算复杂。
跟着做:把方法走一遍
示范:分母先决定能否比较
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[0,1)。
- 分母恒正,分式=1−1/(x²+1),故小于1且非负。
- x=0取0;|x|增大时趋近1但永不取到。
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自检:分母先决定能否比较
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查看参考答案与解析
成立,x=1等号。
- 分母正,等价于x²−2x+1=(x−1)²≥0。
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方法与条件
令f−mg关于x的判别式为0,会得到关于m的方程;必须确认所得m不使二次项消失。
临界处开口向上意味着f−mg恒非负,开口向下意味着恒非正。若g恒正,可以再除以g研究比值。
根积和区间约束可以继续用于平方根换元,推导比值的对称不等式。
进入原讲义例题 · 1
例题 11 · 二次函数比值的全局上下界
设二次函数f(x)=x²+ax+b(a≠1)和g(x)=x²+x+1。(1)证明存在两个不同实数m,使f(x)−mg(x)=0有两个相等实根;(2)设这两个m为m₁<m₂,证明对一切实数x,m₁g(x)≤f(x)≤m₂g(x);(3)若a²=4b−3,证明2√(f(x)g(x))≤f(x)+g(x)≤(√m₁+√m₂)√(f(x)g(x))恒成立。
查看参考答案与解析
(1)m₁、m₂为−3m²+(4b+4−2a)m+a²−4b=0的两根,且m₁<1<m₂;(2)(3)所述不等式成立。
- (1)f−mg=(1−m)x²+(a−m)x+b−m。令其判别式D(m)=(a−m)²−4(1−m)(b−m)=−3m²+(4b+4−2a)m+a²−4b。
- D(1)=(a−1)²>0,而D(m)在m趋于正负无穷时均趋于负无穷,故有两个不同零点m₁<1<m₂。两者都不等于1,方程保持二次,判别式为0,所以各有重实根。
- (2)在m₁处,首项系数1−m₁>0且判别式0,故f−m₁g≥0;在m₂处首项系数负,故f−m₂g≤0,得到夹逼。
- (3)a²−4b=−3,故f恒正;g=(x+1/2)²+3/4恒正。D的根积m₁m₂=1,结合m₁<1<m₂,得0<m₁<1<m₂。
- 令u=√(f/g),则√m₁≤u≤√m₂。下界由(u−1)²≥0得u²+1≥2u;上界由(u−√m₁)(u−√m₂)≤0及√(m₁m₂)=1得u²+1≤(√m₁+√m₂)u。两边乘g>0即得结论。
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数与代数 → 不等式与最值方法
对非负数a、b,(√a−√b)²≥0。展开得a+b≥2√(ab),即算术平均不小于几何平均。等号当且仅当√a=√b,也就是a=b。
这节学会什么
- 能解释:从平方非负出发
- 能说明并应用:固定和或固定积
从平方非负出发
对非负数a、b,(√a−√b)²≥0。展开得a+b≥2√(ab),即算术平均不小于几何平均。等号当且仅当√a=√b,也就是a=b。
固定和或固定积
若a+b=s固定,则ab≤s²/4,等号在a=b=s/2取得。若ab=p>0固定,则a+b≥2√p。每一步都要查正性、哪个量固定,以及相等条件是否可行。
下界不自动是最小值
对x>0,x+1/x≥2且x=1可取,因此最小值2。对x>2,同样的不等式只给下界2,但2取不到且不是最优下界;还要利用x的实际范围继续分析。
跟着做:把方法走一遍
示范:从平方非负出发
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25,x=y=5取得。
- 由(x−y)²≥0得(x+y)²≥4xy。
- 代入和10得xy≤25,并检查5、5满足条件。
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自检:从平方非负出发
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查看参考答案与解析
8,在x=2取得。
- 两项乘积16,所以和≥2√16=8。
- 等号要求2x=8/x,即x²=4,取正根2。
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函数 → 函数入门:输入、图像与坐标
函数给每个允许的输入x一个确定输出y。f(2)表示把公式中所有x换成2,不是f乘2。例如f(x)=x²−1,则f(2)=3、f(−2)=3,不同输入可以得到相同输出。
这节学会什么
- 能解释:把函数看成输入与输出
- 能说明并应用:图像是一整组点
把函数看成输入与输出
函数给每个允许的输入x一个确定输出y。f(2)表示把公式中所有x换成2,不是f乘2。例如f(x)=x²−1,则f(2)=3、f(−2)=3,不同输入可以得到相同输出。
图像是一整组点
在横轴取x、纵轴取f(x),点(x,f(x))组成图像。与横轴相交意味着y=0,所以交点横坐标就是方程f(x)=0的解。图像在横轴上方对应f(x)>0。
坐标与距离
在正交、等单位坐标系中,两点距离平方为横坐标差的平方加纵坐标差的平方,这是勾股定理。同一水平线的距离可直接取横坐标差的绝对值;斜线不能只看横向差。
跟着做:把方法走一遍
示范:把函数看成输入与输出
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f(3)=2;交点(2,0)。
- 代入3得6−4=2。
- 交横轴时2x−4=0,解得x=2。
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自检:把函数看成输入与输出
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在。
- 把x=−1代入,右边为1+2=3,等于纵坐标。
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函数 → 二次函数 → 定义与解析式
一般式ax²+bx+c(a≠0)方便读纵轴截距c;顶点式a(x−h)²+k方便读顶点(h,k);有实根时交点式a(x−r)(x−s)方便读横轴交点r、s。
这节学会什么
- 能解释:同一条抛物线的三种语言
- 能说明并应用:怎样互相转换
同一条抛物线的三种语言
一般式ax²+bx+c(a≠0)方便读纵轴截距c;顶点式a(x−h)²+k方便读顶点(h,k);有实根时交点式a(x−r)(x−s)方便读横轴交点r、s。
怎样互相转换
一般式配方成顶点式;交点式展开成一般式。有两个实根时h=(r+s)/2;只有Δ≥0才有实数交点式,不能给没有实根的函数硬设两个实截距。
按已知条件选式子
给顶点和另一点,用顶点式只剩a;给两个横轴交点和一点,用交点式;给三个一般位置点,用一般式列三元一次方程。选式子是减少未知数,不是改换函数。
跟着做:把方法走一遍
示范:同一条抛物线的三种语言
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抛物线顶点(2,−1),经过(0,7),求解析式。
查看参考答案与解析
y=2(x−2)²−1。
- 设y=a(x−2)²−1。
- 代入(0,7),得7=4a−1,所以a=2。
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自检:同一条抛物线的三种语言
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查看参考答案与解析
x=3。
- 两根1、5的中点为3。
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概念与方法
一般式y=ax²+bx+c中a≠0,b、c可为0。一次函数需a=0,b≠0;正比例还需c=0。
配方为a(x+b/(2a))²+(4ac−b²)/(4a),顶点为(−b/(2a),(4ac−b²)/(4a))。
顶点式y=a(x−h)²+k适合已知顶点;交点式y=a(x−x₁)(x−x₂)适合已知实零点,轴为x=(x₁+x₂)/2。无实零点时不能使用实数交点式。
已知三个点通常设一般式;已知顶点和一点设顶点式;已知两个零点和一点设交点式。解出系数后代回全部条件。
进入原讲义例题 · 4
例题 1 · 按次数和系数判断函数类型
(1)已知y=(m²+m)x^(m²−m)+(m²+3m+2)x+m²+2,当m为何值时函数是二次函数?(2)已知y=ax²+bx+c,分别说明a、b、c满足什么条件时它是一次函数、正比例函数、二次函数。
查看参考答案与解析
(1)m=2。(2)一次:a=0,b≠0,c任意;正比例:a=0,b≠0,c=0;二次:a≠0,b和c任意。
- (1)二次项指数需m²−m=2,解得m=2或−1。还需其系数m²+m≠0,排除m=−1,故m=2。
- (2)函数类型由最高非零项决定:一次项必须非零才是一次函数;正比例还需常数项为零;二次函数必须a≠0。
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例题 2 · 开口方向与单调性
(1)二次函数y=(2−m)x^(m²−3)在对称轴左侧,y随x增大而减小,求m。(2)二次函数y=(m−1)x^(5−2m−m²)在对称轴右侧y随x增大而减小,求m。(3)a>1,点(a−1,y₁)、(a,y₂)、(a+1,y₃)均在y=−x²上,比较y₁、y₂、y₃。选项A y₂<y₁<y₃;B y₃<y₂<y₁;C y₁<y₂<y₃;D y₁<y₃<y₂。
查看参考答案与解析
(1)m=−√5;(2)m=−3;(3)B。
- (1)m²−3=2得m=±√5。左侧递减要求开口向上,即2−m>0,所以取−√5。
- (2)5−2m−m²=2得m=1或−3。右侧递减要求m−1<0,且m=1会令系数为零,故m=−3。
- (3)0<a−1<a<a+1,y=−x²在正半轴递减,因此y₃<y₂<y₁。
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例题 3 · 顶点与经过点给出的参数条件
二次函数y=x²−kx+k−1,分别根据下列条件求k:(1)顶点在x轴上;(2)顶点在y轴上;(3)经过(−1,−2);(4)经过原点;(5)x=−1时y有最小值;(6)y最小值为−1。
查看参考答案与解析
依次为:2;0;−1;1;−2;0或4。
- 配方y=(x−k/2)²−(k−2)²/4,顶点为(k/2,−(k−2)²/4)。
- (1)顶点纵坐标0,得k=2;(2)横坐标0,得k=0;(3)代x=−1得y=2k=−2,k=−1;(4)代x=0得k−1=0,k=1。
- (5)对称轴k/2=−1,k=−2;(6)−(k−2)²/4=−1,k=0或4。
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例题 8 · 选择解析式形式求二次函数
根据条件分别求二次函数解析式:(1)经过A(0,−1)、B(1,0)、C(−1,2);(2)顶点(1,−3),与y轴交于(0,1);(3)与x轴交于(−3,0)、(5,0),与y轴交于(0,−3);(4)顶点(3,−2),与x轴两交点距离4。
查看参考答案与解析
(1)2x²−x−1;(2)4(x−1)²−3;(3)(x+3)(x−5)/5;(4)(x−3)²/2−2。
- (1)设一般式,由c=−1、a+b=1、a−b=3得a=2,b=−1。
- (2)设a(x−1)²−3,代入(0,1)得a=4。
- (3)设a(x+3)(x−5),代入(0,−3)得a=1/5。
- (4)两根关于x=3对称且距离4,故根为1、5;代入顶点式a(x−3)²−2,在x=1处0=4a−2,a=1/2。
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函数 → 二次函数 → 图像性质与系数
y=a(x−h)²+k只看x离h多远。离h越远,平方越大。a>0时函数值越大;a<0时函数值越小。h左右等距的点函数值相同。
这节学会什么
- 能解释:用离顶点的距离读函数
- 能说明并应用:把增减说成区间
开口向上的示意图:比较横坐标到对称轴的距离,可判断函数值大小。用离顶点的距离读函数
y=a(x−h)²+k只看x离h多远。离h越远,平方越大。a>0时函数值越大;a<0时函数值越小。h左右等距的点函数值相同。
把增减说成区间
a>0时在x≤h一侧随x增大而减小,在x≥h一侧增大;a<0则反过来。跨过h的整个区间通常不单调,不能只看开口方向就说全程递增。
比较数值可以不代入
比较f(u)、f(v)时,先比|u−h|与|v−h|,再看a的符号。若只知u<v却不知道两点相对h的位置,不能确定函数值大小。
跟着做:把方法走一遍
示范:用离顶点的距离读函数
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
f(x)=−(x−2)²+5,比较f(0)与f(5)。
查看参考答案与解析
f(0)>f(5)。
- 到对称轴的距离分别2与3。
- a<0,距离越大函数值越小;具体为1与−4。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:用离顶点的距离读函数
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
查看参考答案与解析
不单调。
- 对称轴x=−1在区间内部,先减后增。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
在习题库中打开本题继续提高:讲义中的相关关系与方法
概念与方法
a>0开口向上,顶点最低,轴左侧递减、右侧递增;a<0开口向下,顶点最高,轴左侧递增、右侧递减。
比较同一抛物线上的函数值时,可比较到对称轴的距离;先确定开口方向,再判断距离增大对应函数值上升或下降。
进入原讲义例题 · 2
例题 2 · 开口方向与单调性
(1)二次函数y=(2−m)x^(m²−3)在对称轴左侧,y随x增大而减小,求m。(2)二次函数y=(m−1)x^(5−2m−m²)在对称轴右侧y随x增大而减小,求m。(3)a>1,点(a−1,y₁)、(a,y₂)、(a+1,y₃)均在y=−x²上,比较y₁、y₂、y₃。选项A y₂<y₁<y₃;B y₃<y₂<y₁;C y₁<y₂<y₃;D y₁<y₃<y₂。
查看参考答案与解析
(1)m=−√5;(2)m=−3;(3)B。
- (1)m²−3=2得m=±√5。左侧递减要求开口向上,即2−m>0,所以取−√5。
- (2)5−2m−m²=2得m=1或−3。右侧递减要求m−1<0,且m=1会令系数为零,故m=−3。
- (3)0<a−1<a<a+1,y=−x²在正半轴递减,因此y₃<y₂<y₁。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 5 · 零点区间确定函数值大小
ax²+bx+c<0的解集为x<−2或x>4。对f(x)=ax²+bx+c,比较f(−1)、f(2)、f(5)。
查看参考答案与解析
f(5)<f(−1)<f(2)
- 根为−2、4,a<0,对称轴为1。三点距轴分别为2、1、4;开口向下时离轴越远值越小。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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长期追踪
尚未检查 · 暂无错题复习记录
错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
查看关联的全部错题复习记录暂无复习记录。收到 review 材料后,正确和错误的作答都会在这里保留。
应用
从抛物线图像读取系数与代数式符号
函数 → 二次函数 → 图像性质与系数
a决定开口方向与相同横向偏移时的纵向变化,c=f(0)是纵轴交点。b不能单独读成“左右位置”;对称轴是−b/(2a),必须结合a。
这节学会什么
- 能解释:每个系数怎样进入图像
- 能说明并应用:由图读符号
每个系数怎样进入图像
a决定开口方向与相同横向偏移时的纵向变化,c=f(0)是纵轴交点。b不能单独读成“左右位置”;对称轴是−b/(2a),必须结合a。
由图读符号
若开口向上且对称轴在纵轴右侧,则a>0且−b/(2a)>0,所以b<0。纵轴交点在横轴下方则c<0。符号判断要先列对应的式子。
组合系数就是特殊函数值
a+b+c=f(1),a−b+c=f(−1),4a+2b+c=f(2)。看到这类组合先想代入点的位置,常比逐一估计系数更直接。
跟着做:把方法走一遍
示范:每个系数怎样进入图像
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抛物线开口向下,轴x=2,与纵轴交于正半轴。判断a、b、c符号。
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a<0、b>0、c>0。
- 开口向下给a<0。
- −b/(2a)=2,所以b=−4a>0;纵截距为正给c>0。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:每个系数怎样进入图像
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a−b+c>0。
- 这是f(−1)。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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概念与方法
a看开口;c=f(0)看y轴截距;b结合a与轴−b/(2a)的位置判断;判别式看与x轴不同交点个数。
a+b+c=f(1),a−b+c=f(−1),4a−2b+c=f(−2)。优先转成函数值,而不是直接猜系数。
对称轴已知时可用b=−2ah消去b,再把新的代数式化为已知函数值。
示意图只使用明确给出的点序、轴位置、刻度和相对上下关系;不能把没有标注的顶点或截距目测成精确坐标。
进入原讲义例题 · 4
例题 4 · 从图像读取系数和函数值
(1)y=ax²+bx+a²−2图像如图(1),求a;(2)y=ax²+bx+c图像如图(2),判断点P(a,b)所在象限;(3)y=ax²+bx+c图像如图(3),求a+b+c的取值范围。
原题勘误与整理备注第(3)问直接按原图标出的x=1处曲线高度判断;不把未标注的顶点坐标推测成精确数值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
(1)开口向上、过原点;(2)开口向下、对称轴在y轴左侧;(3)x=1处曲线位于y=−1与x轴之间。仅保留原图定性位置,不增加未给坐标。
查看参考答案与解析
(1)a=√2;(2)第三象限;(3)−1<a+b+c<0。
- (1)图像开口向上且过原点,故a>0、a²−2=0,取a=√2。
- (2)开口向下a<0,对称轴在y轴左侧,−b/(2a)<0。因2a<0,得b<0,所以(a,b)在第三象限。
- (3)a+b+c=f(1)。原图在x=1处的曲线位于y=−1与x轴之间,因此−1<f(1)<0。
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例题 5 · 对称轴与指定点函数值判号
已知y=ax²+bx+c图像如图,对称轴x=1。确定a、b、c、b²−4ac、a+b+c、a−b+c、3b−2c的符号。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
开口向下,对称轴x=1;y轴截距正,左根在−1和0之间。
查看参考答案与解析
依次:负、正、正、正、正、负、正。
- 开口向下a<0,对称轴x=1给b=−2a>0;图像与y轴交于正半轴,所以c>0;有两个不同x轴交点,所以判别式>0。
- a+b+c=f(1)为正的最大值;图上−1在左根左侧,因此a−b+c=f(−1)<0。
- 由b=−2a,3b−2c=−2(3a+c)=−2(a−b+c)>0。
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例题 6 · 图像符号与四个判断
(1)y=ax²+bx+c图像如图(1),判断a、b、c、b²−4ac、2a+b、a+b+c、a−b+c的符号。(2)图(2)经过(−1,2),与x轴交点横坐标x₁、x₂满足−2<x₁<−1,0<x₂<1。判断哪些正确:①4a−2b+c<0;②2a−b<0;③b<−1;④b²+8a>4ac。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
(1)开口向上、轴在0与1之间、左根在−1与0之间、右根大于1。(2)开口向下,过(−1,2),左根在−2与−1之间,右根在0与1之间。
查看参考答案与解析
(1)依次正、负、负、正、正、负、正;(2)①②③④均正确。
- (1)开口向上a>0;对称轴h在0与1之间,故b<0、2a+b=2a(1−h)>0;y轴截距c<0;两个不同实根使Δ>0。图示−1在左根外,1在两根内,故f(−1)>0、f(1)<0。
- (2)开口向下,−2在左根外,故f(−2)=4a−2b+c<0,①成立。对称轴h=(x₁+x₂)/2>−1,而h=−b/(2a)、a<0,故2a−b<0,②成立。
- 又f(1)<0而f(−1)=2,所以2b=f(1)−f(−1)<−2,③成立。顶点在−1右侧,最大值严格大于f(−1)=2;即−Δ/(4a)>2,因a<0可得Δ+8a>0,④成立。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 坐标轴截距相等约束系数乘积
二次函数y=ax²+bx+c(a≠0)图像如图,A是负x轴交点、B是负y轴交点,若OA=OB,求abc的取值范围。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
开口向上,负x轴交点A与负y轴交点B满足OA=OB,顶点位于y轴右侧。
查看参考答案与解析
0<abc≤1/4。
- 图示a>0、b<0、c<0;B=(0,c),OA=OB推出A=(c,0)。代入f(c)=0得c(ac+b+1)=0,故ac=−b−1。
- 因为ac<0,结合b<0得−1<b<0。于是abc=−b²−b=1/4−(b+1/2)²,范围为(0,1/4]。
- 当b=−1/2时取等;任取a>0、c=−1/(2a),所有图示与截距条件均满足。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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函数 → 二次函数 → 图像性质与系数
原图点(t,f(t))向右h、向上k后为(t+h,f(t)+k)。令新横坐标x=t+h,代回得到y=f(x−h)+k。所以右移在括号内写减号,向上在外面加。
这节学会什么
- 能解释:用点的移动推公式
- 能说明并应用:轴对称与中心对称
用点的移动推公式
原图点(t,f(t))向右h、向上k后为(t+h,f(t)+k)。令新横坐标x=t+h,代回得到y=f(x−h)+k。所以右移在括号内写减号,向上在外面加。
轴对称与中心对称
关于y轴对称把横坐标取反,公式y=f(−x);关于x轴对称为y=−f(x)。关于(h,k)中心对称,把原点(t,f(t))变为(2h−t,2k−f(t)),故y=2k−f(2h−x)。
先检查关键点
变换后用顶点或横纵轴交点复核,通常比展开后的系数更容易察觉方向错误。多步变换按先后执行,次序交换可能得到不同图像。
跟着做:把方法走一遍
示范:用点的移动推公式
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y=(x−2)²+3,顶点(2,3)。
- 原顶点(0,0)按指令移至(2,3)。
- 代入x−2再加3,与顶点一致。
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自检:用点的移动推公式
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y=(x+1)²。
- 把x换为−x,平方消去整体负号。
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概念、推导与边界
设旧点(u,f(u))向右h、向上k变为(x,y)=(u+h,f(u)+k),则u=x−h,故新式y=f(x−h)+k。横向变化写在自变量内部,不能把右移误写为f(x+h)。
例:y=2(x+1)²−4的顶点是(−1,−4),向右3、向上7后顶点为(2,3),新式2(x−2)²+3。保留二次项系数,开口和宽窄不变。
关于y轴把点(u,v)变成(−u,v),新式f(−x);关于x轴变成(u,−v),新式−f(x)。关于(h,k)中心对称为(2h−u,2k−v),新式2k−f(2h−x)。
以f(x)=a(x+2)²−1为例,关于(1,0)中心对称得到−a(x−4)²+1;不仅横坐标改变,开口也翻转。连续变换要按顺序作用于上一步函数。
进入原讲义例题 · 3
例题 1 · 顶点坐标确定平移步骤
(1)函数y=2(x−2)²+3的图象由y=2(x+1)²−4的图象平移得到,填写平移步骤。(2)将y=−x²−4x+1怎样平移就得到y=−x²?
查看参考答案与解析
(1)向右3、向上7;(2)向右2、向下5。
- 比较顶点:(−1,−4)移到(2,3)。
- −x²−4x+1=−(x+2)²+5,顶点(−2,5)移到(0,0)。
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例题 2 · 连续轴对称求新函数
C为y=ax²+bx+c(a≠0)的图象;C关于y轴对称为C₁,C₁关于x轴对称为C₂,求C₂解析式。
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y=−ax²+bx−c
- 关于y轴把x换为−x,关于x轴把函数值取负,故为−f(−x)。
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例题 3 · 中心对称与纵截距距离
C₁为y=ax²+4ax+4a−1的图象。(1)求关于M(1,0)中心对称的C₂解析式。(2)C₁、C₂与y轴交点为A、B,AB=18,求a。
查看参考答案与解析
(1)y=−ax²+8ax−16a+1;(2)a=1或−4/5。
- 中心对称后函数为−f(2−x)=−a(x−4)²+1。
- 两纵截距为4a−1与1−16a,|20a−2|=18,得a=1或−4/5。
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函数 → 二次函数 → 区间最值与参数
在闭区间[l,r]求二次函数最值,候选位置只有两端点以及落在区间内的顶点h。若h不在区间内,函数在区间上单调,最值只在端点。
这节学会什么
- 能解释:全局顶点不一定在允许范围
- 能说明并应用:一次比较三个候选
全局顶点不一定在允许范围
在闭区间[l,r]求二次函数最值,候选位置只有两端点以及落在区间内的顶点h。若h不在区间内,函数在区间上单调,最值只在端点。
一次比较三个候选
先求h=−b/(2a),检查l≤h≤r,再计算f(l)、f(r)、必要时f(h)。比较有限个数即可。a>0时最小值在离h最近的允许点,最大值在最远端点;a<0反之。
有参数时分段有原因
分界来自h穿过l或r,或两个端点到h等距。开区间还要注意端点不取,极限值可能只有上确界/下确界,没有最大值/最小值。
跟着做:把方法走一遍
示范:全局顶点不一定在允许范围
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求f(x)=(x−3)²+1在[0,2]的最小值。
查看参考答案与解析
2,在x=2取得。
- 顶点x=3不在区间内。
- 区间上函数递减,最小在右端点2,值1+1=2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:全局顶点不一定在允许范围
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最大值5,最小值1。
- 顶点3在内部,最小1;端点值2、5,最大5。
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方法与条件
二次函数在闭区间的最大最小值只需检查端点和区间内的顶点;顶点不在区间时函数单调。
区间端点本身含待求参数时,要按区间位于对称轴左侧、右侧或跨越对称轴分类。
若题目只写a≤x≤b而未规定a<b,必须单独检查单点区间。
概念、推导与边界
配方y=a(x−h)²+k把最值问题变成到h的距离问题。a>0时距离最近给最小、最远给最大;a<0时相反。
例:y=(x+1)²+1在[−2,1]上,顶点−1在区间内,最小1;端点到轴的距离1和2,故最大为f(1)=5。
动区间[t,t+1]要以顶点进入、离开区间的时刻分段。对y=(x−1)²+1,分界为t=0、1;对应最小值t²+1、1、(t−1)²+1。
只有闭且有界区间才保证两个最值都存在;全体实数上向上的抛物线无最大值。二元约束消元后必须保留新自变量范围,例如x²+2y²=1给−1≤x≤1。
进入原讲义例题 · 9
例题 9 · 整个区间的函数值夹逼条件
f(x)=−x²/2+x,m≤x≤n(m<n)时,km≤f(x)≤kn(k>1),求 m、n、k 应满足的条件。
查看参考答案与解析
k>1,−2(k−1)≤m≤0≤n≤1+√(1−2km),且 m<n。
- 先用 f(m)≥km,得到 m[m+2(k−1)]≤0,即 −2(k−1)≤m≤0。
- 若 n<0,由 f(n)≤kn 得 n[n+2(k−1)]≥0,故 n≤−2(k−1)≤m,与 n>m 矛盾。因此 n≥0。
- 开口向下的函数在 [m,n] 的最小值位于端点。m端条件已满足,另一端 f(n)≥km 化为 n²−2n+2km≤0。结合 n≥0 得 n≤1+√(1−2km)。
- 上界自动满足:若 n≤1,函数在 [m,n] 递增,f(x)≤f(n)=n−n²/2≤n≤kn;若 n>1,f(x)≤1/2<kn。故所列条件既必要又充分。
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例题 11 · 区间端点与最值的自洽关系
设函数 f(x)=−x²/2+13/2 在 a≤x≤b 的范围内最小值为2a,最大值为2b,求实数对 (a,b)。
原题勘误与整理备注原题:a≤x≤b,未要求a<b。整理保留a=b的两个退化区间解;不是更改原题。
查看参考答案与解析
(1,3)、(−2−√17,13/4)、(−2+√17,−2+√17)、(−2−√17,−2−√17)。
- 原题允许 a=b。此时 f(a)=2a,解 a²+4a−13=0,得到两个单点区间解。
- 以下设 a<b。若 0≤a<b,函数递减,所以 a²+4b=13,b²+4a=13。相减得 (a−b)(a+b−4)=0,故 a+b=4,解得 (a,b)=(1,3)。
- 若 a<b≤0,函数递增,要求 f(a)=2a、f(b)=2b。但这两个等式在非正数中仅有同一解 −2−√17,与 a<b 矛盾。
- 若 a<0<b,最大值为13/2,故 b=13/4。若 |a|≤b,则最小值 f(b)=39/32>0,迫使 a>0,矛盾。故 |a|>b,最小值为 f(a)=2a,取负根 a=−2−√17;确有 |a|>13/4。
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例题 3 · 抛物线与正方形的公共点
抛物线y=ax²与直线x=1、x=2、y=1、y=2围成的正方形有公共点,求a的取值范围。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正方形由x=1、x=2、y=1、y=2围成;图示一条与该区域相交的抛物线y=ax²。
查看参考答案与解析
1/4≤a≤2。
- 公共点要求某个x∈[1,2]满足1≤ax²≤2,所以a>0。此时ax²在[1,2]上的值域为[a,4a],与[1,2]有交集当且仅当a≤2且4a≥1。
- 故a∈[1/4,2]。端点分别在顶点(2,1)、(1,2)接触正方形,均可取。
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例题 4 · 同一抛物线在不同区间的最值
求y=x²+2x+2在下列范围的最大值、最小值:(1)全体实数;(2)−2≤x≤1;(3)−1≤x≤1/2;(4)1≤x≤2。
查看参考答案与解析
(1)最小1,无最大值;(2)最小1,最大5;(3)最小1,最大13/4;(4)最小5,最大10。
- 配方y=(x+1)²+1。顶点x=−1;在各区间检查顶点是否包含,再比较端点值。
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例题 5 · 椭圆约束消元求最值
已知x²+2y²=1,求2x+5y²的最大值和最小值。
查看参考答案与解析
最大29/10,最小−2。
- y²=(1−x²)/2且−1≤x≤1。目标为−(5/2)(x−2/5)²+29/10。
- x=2/5、y=±√42/10取最大;x=−1、y=0取最小。
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例题 9 · 移动区间内的最小值
y=x²−2x+2在t≤x≤t+1上的最小值为S,求S关于t的解析式及取值范围。
查看参考答案与解析
t<0时S=t²+1;0≤t≤1时S=1;t>1时S=(t−1)²+1;S∈[1,+∞)。
- y=(x−1)²+1。区间在顶点左侧、包含顶点、在顶点右侧分别取右端点、顶点、左端点。
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例题 10 · 根跨越区间与根平方和最值
x²+(2m−1)x+m−6=0的两根x₁≤−1、x₂≥1。(1)求m范围;(2)求x₁²+x₂²的最大值和最小值。
查看参考答案与解析
(1)−4≤m≤2;(2)最大101,最小43/4。
- 开口向上,两根跨越[−1,1]等价于F(−1)=−m−4≤0及F(1)=3m−6≤0。
- 根平方和=(1−2m)²−2(m−6)=4m²−6m+13=4(m−3/4)²+43/4。顶点在范围内,最小43/4;端点值101、17,最大101。
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例题 11 · 韦达定理与有理对称式最值
m≥−1,方程x²+2(m−2)x+m²−3m+3=0有两个不相等实根x₁、x₂。(1)若x₁²+x₂²=6,求m;(2)求mx₁²/(1−x₁)+mx₂²/(1−x₂)的最大值。
原题勘误与整理备注原题未显式排除分母为零;补充:第(2)问需m≠0;依据:原分式定义域。
查看参考答案与解析
(1)m=(5−√17)/2;(2)最大值10。
- 判别式4(1−m)>0,故−1≤m<1。由韦达定理S=4−2m,P=m²−3m+3。
- (1)S²−2P=2m²−10m+10=6,筛去大于1的根。
- (2)分母乘积1−S+P=m(m−1),须另排除m=0。通分得m(S²−2P−PS)/(1−S+P)=2m²−6m+2。
- 该函数在[−1,1)递减,在m=−1取得10,分母非零。
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例题 11 · 正值区间与水平线交点
二次函数y=ax²+bx+c与直线y=25有交点,且ax²+bx+c>0的解为−1/2<x<1/3。求a、b、c范围。
查看参考答案与解析
a≤−144,b≤−24,c≥24,且b=a/6、c=−a/6。
- 设f(x)=a(x+1/2)(x−1/3),a<0,因此b=a/6、c=−a/6。
- 轴为−1/12,最大值−25a/144。与y=25相交等价于−25a/144≥25,得a≤−144。三系数不能独立选择,还需保持给定比例。
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函数 → 二次函数 → 区间最值与参数
要求|f(x)|≤M,就是同时要求−M≤f(x)≤M。二次函数在闭区间的最大最小只可能位于端点和内部顶点,因此这几个候选能完成全区间检查。
这节学会什么
- 能解释:“对任意x”必须覆盖整个区间
- 能说明并应用:绝对值如何处理
“对任意x”必须覆盖整个区间
要求|f(x)|≤M,就是同时要求−M≤f(x)≤M。二次函数在闭区间的最大最小只可能位于端点和内部顶点,因此这几个候选能完成全区间检查。
绝对值如何处理
不用再画一条复杂绝对值图像:先求f的最小值m与最大值n,则|f|的最大值是max(|m|,|n|)。如果只查f最大值,会漏掉很负的函数值。
参数与等号联动
先按顶点在区间内外分情况,再把所有上界条件联立。得到参数边界后,代回整个区间核验;一个采样点达到M不代表其余点自动合格。
跟着做:把方法走一遍
示范:“对任意x”必须覆盖整个区间
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1。
- 2x²−1的范围为[−1,1],故绝对值≤1。
- x=0或±1时取得1。
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自检:“对任意x”必须覆盖整个区间
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f在区间上的范围是[−5,2],|f|最大值是多少?
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5。
- 比较两端绝对值5与2。
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方法与条件
固定首项系数的二次函数,在等距三点上的二阶差分恒定。若三点绝对值都不超过M,可推出M的下界。
平移抛物线时,最优情形常让最高值和最低值绝对值相等,但须以不等式和取等验证证明。
进入原讲义例题 · 3
例题 5 · 平移抛物线的最小最大偏差
f(x)=x²−a,−1≤x≤1 时 |f(x)| 的最大值是 M,求 M 的最小值。
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M 的最小值为 1/2,当 a=1/2 时取得。
- x² 遍历 [0,1],故 M=max{|a|,|1−a|}。
- 由 |a|+|1−a|≥1 得 M≥1/2。a=1/2 时,两项都为1/2,故下界达到。
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例题 6 · 端点与中点共同确定二次函数
f(x)=x²+bx+c 满足 −1≤x≤3 时 |f(x)|≤2,求 f(x)。
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f(x)=x²−2x−1。
- 恒等式 f(−1)+f(3)−2f(1)=8,而条件给出左边≤2+2+4=8。
- 故必须同时取等:f(−1)=f(3)=2,f(1)=−2。解得 b=−2、c=−1。
- 检验 f(x)=(x−1)²−2 在 [−1,3] 上的值域为 [−2,2]。
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例题 15 · 闭区间绝对值界确定系数
求实数对(p,q),使|x²+px+q|≤2对1≤x≤5恒成立。
查看参考答案与解析
(p,q)=(−6,7)。
- 记f=x²+px+q,则f(1)+f(5)−2f(3)=8。各项有界给左侧≤2+2+4=8,所以必须f(1)=f(5)=2、f(3)=−2。
- 由两端相等得p=−6,再得q=7。验证f(x)=(x−3)²−2在[1,5]值域[−2,2]。
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函数 → 二次函数 → 区间最值与参数
a>0时f(x)=a(x−h)²−Δ/(4a)的最小值是−Δ/(4a)。因此f(x)≥0对所有实数成立等价于Δ≤0;若要求始终>0则Δ<0。
这节学会什么
- 能解释:对所有实数都非负
- 能说明并应用:不要忘记退化常数
对所有实数都非负
a>0时f(x)=a(x−h)²−Δ/(4a)的最小值是−Δ/(4a)。因此f(x)≥0对所有实数成立等价于Δ≤0;若要求始终>0则Δ<0。
不要忘记退化常数
a=0时函数是bx+c。若要对所有实数非负,必须b=0且c≥0。a<0会随|x|增大趋向负无穷,不可能全域非负。
整体有上下界是更强要求
真正二次函数不能在全实数上同时满足|f(x)|≤M,因为平方项向一侧无界。若题目说在[−1,1]有界,则是区间问题,不能套全实数结论。
跟着做:把方法走一遍
示范:对所有实数都非负
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k≥4。
- 配方为(x−2)²+k−4。
- 最小值k−4必须非负。
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自检:对所有实数都非负
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不成立。
- x=2时值为0,严格不等式失效。
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方法与条件
非退化二次函数Ax²+Bx+C恒非负,等价于A>0、B²−4AC≤0。若最高项可为0,需另查常数或一次情况。
上下界在某点相等时,被夹函数在该点同值;作差后恒非负,展开到该点的局部一次项必须为0。
齐次的系数比可以除以正的a归一化,结合c/a≥(b/a)²/4,把多参数问题化为单变量。
概念、推导与边界
对a≠0,ax²+bx+c≥0对所有实数成立,当且仅当a>0且Δ≤0;严格>0则要求Δ<0。原因是开口向上且最低点−Δ/(4a)非负或严格正。若a=0,必须另查一次项是否也为0以及常数符号。
例:(m²+4m−5)x²−4(m−1)x+3>0。非退化时首项(m−1)(m+5)>0、Δ=4(m−1)(m−19)<0给1<m<19;退化m=1时变成3>0也成立,所以最终1≤m<19。
根式定义域为全体实数相当于被开方数恒非负。例如kx²−6kx+k+8=k(x−3)²+8−8k,故0≤k≤1;k=0的常数情形不能遗漏。
若参数p只在有限闭区间变化,而式子对p是一次函数,固定x后只需检查参数区间两端;若关于p为二次函数,则不能未经判断直接只查两端。
上下夹逼L(x)≤f(x)≤U(x)可分别检查f−L及U−f全局非负;若系数另为整数,可在已经证明的有限范围内枚举,并逐一代回。
进入原讲义例题 · 8
例题 2 · 夹在两条抛物线之间的函数
抛物线y=ax²+bx+c满足 x²−2x+3≤y≤3x²−6x+5,且经过点(3,10),求解析式。
查看参考答案与解析
y=2x²−4x+4。
- 令 t=x−1,上下界为t²+2与3t²+2。在t=0时y=2。设y=A t²+B t+2。
- 下界要求(A−1)t²+B t≥0对所有实数t成立,故B=0;上下界于是给出1≤A≤3。
- 点(3,10)对应t=2,故4A+2=10,A=2。还原并检验得到所求式。
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例题 6 · 恒非负条件下的系数比最值
二次函数y=ax²+bx+c满足y≥0且b>a,求(a+b+c)/(b−a)的最小值。
查看参考答案与解析
最小值3,在b=4a、c=4a、a>0时取得。
- y≥0按对所有实数x成立理解,故a>0、c≥b²/(4a)。令t=b/a>1,目标≥(1+t+t²/4)/(t−1)。
- 令u=t−1>0,右式=u/4+3/2+9/(4u)≥3,等号在u=3,即t=4时取得。
- 取b=4a、c=4a,函数a(x+2)²恒非负,目标确为3。
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例题 10 · 实根条件约束正系数的和
正数a、b、c使ax²+bx+c=0有实根,证明4min{a,b,c}≤a+b+c≤(9/4)max{a,b,c}。
查看参考答案与解析
两端不等式成立。
- 实根条件b²≥4ac,故b≥2√(ac)。设小者为m,则a+c≥2m、b≥2m,得到和≥4m。a=c=m、b=2m时下界取等。
- 为证上界,以M=max{a,b,c}归一化,令A=a/M、B=b/M、C=c/M,均在(0,1],且AC≤B²/4。
- 由(1−A)(1−C)≥0得A+C≤1+AC。因此A+B+C≤1+B+B²/4≤9/4。取A=1、B=1、C=1/4时上界取等。
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例题 12 · 整系数抛物线的全局夹逼
f(x)=ax²+bx+c,a、b、c为整数;抛物线在−2<x<0内与x轴有两个不同交点,且任意实数x均有4x+2≤f(x)≤8x²+8x+4。求f(x)。
原题勘误与整理备注原题要求解析式,按现有印刷条件共有五个符合的解析式,并非唯一;依据:独立推导和逐组代回。
查看参考答案与解析
f(x)可为2x²+5x+3、3x²+7x+3、4x²+7x+3、4x²+8x+3、5x²+8x+3。
- 上下界给0<a≤8、2≤c≤4。两侧差函数非负要求(b−4)²≤4a(c−2);a<8时还要求(8−b)²≤4(8−a)(4−c),a=8时须b=8。
- 两不同根均在(−2,0)等价于Δ>0、0<b<4a、c>0、4a−2b+c>0。
- 若c=2,则b=4,上述根条件要求3/2<a<2,无整数;若c=4,则b=8,根条件要求3<a<4,无整数。
- 所以c=3。枚举1≤a≤8,并联立(b−4)²≤4a、(8−b)²≤4(8−a)、b²>12a、0<b<4a、b<(4a+3)/2,得到(a,b)=(2,5),(3,7),(4,7),(4,8),(5,8)。逐组代入不等式均满足。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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作业 10 / 例题 14 · 两抛物线零点距离恒比较
m、n为正整数,m≠2。y=x²+(3−mt)x−3mt与x轴两交点距离d₁,y=−x²+(2t−n)x+2nt与x轴两交点距离d₂。若一切实数t均有d₁≥d₂,求m、n。
原题勘误与整理备注原题称一切实数t下均有两个交点,但t=−3/m或−n/2时会相切;整理按两实根可重合、距离为0解释并给出答案;依据:数学推断。若坚持两个不同交点,则原题条件无法对一切t成立。
原题两交点在t=−3/m时重合;按重根距离为0作延拓解释;依据:数学推断。若坚持两个不同交点,则不可能对一切t成立。
查看参考答案与解析
(m,n)=(3,2)或(6,1)(重根时将两根距离记为0)。
- 因式分解得两组根(−3,mt)、(−n,2t),所以d₁=|mt+3|,d₂=|2t+n|。
- 取t=−3/m得n=6/m。此时d₂=(2/m)|mt+3|,恒成立要求m≥2;结合m≠2和正整数mn=6,得两组。
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例题 8 · 全局严格正值与降次边界
(m²+4m−5)x²−4(m−1)x+3>0对所有实数x恒成立,求m。
查看参考答案与解析
1≤m<19。
- 二次项非零时要求(m−1)(m+5)>0且Δ=4(m−1)(m−19)<0,交得1<m<19。
- 二次项为0时m=1或−5。m=1给常数3>0成立;m=−5给24x+3>0不能恒成立。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 9 · 根式定义域为全体实数
f(x)=√[kx²−6kx+(k+8)]的定义域为全体实数,求k范围。
查看参考答案与解析
0≤k≤1。
- 根号内=k(x−3)²+8−8k。k<0时向负无穷,不能非负;k=0时等于8;k>0时要求最小值8−8k≥0。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 10 · 参数区间内不等式恒成立
对于0≤p≤4的所有实数p,使x²+px>4x+p−3都成立的x范围是什么?
查看参考答案与解析
x<−1或x>3。
- 固定x后左减右为x²−4x+3+p(x−1),是关于p的一次函数。只需两个端点p=0、4均严格为正。
- 联立(x−1)(x−3)>0及(x−1)(x+1)>0,交集为x<−1或x>3。
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尚未检查 · 暂无错题复习记录
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函数 → 二次函数 → 区间最值与参数
f_m(x)中的m先当常数,按x求顶点和端点最值;得到最值M(m)后,才把m作为新的变量研究。两轮的定义域不同,要分别记录。
这节学会什么
- 能解释:参数暂时固定再看x
- 能说明并应用:分段点来自几何事件
参数暂时固定再看x
f_m(x)中的m先当常数,按x求顶点和端点最值;得到最值M(m)后,才把m作为新的变量研究。两轮的定义域不同,要分别记录。
分段点来自几何事件
例如f_m(x)=(x−m)²在[0,1]:m<0时最近点0;0≤m≤1时最近点m;m>1时最近点1。因此最小值依次m²、0、(1−m)²,分段不是凭猜。
恒成立常转为最不利值
要求对所有x都f_m(x)≥c,等价于最小值≥c;要求≤c则看最大值。若系数含m,首先处理二次项为0的退化值,再做二次区间判断。
跟着做:把方法走一遍
示范:参数暂时固定再看x
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查看参考答案与解析
m=−1或2。
- m<0分支m²=1取−1;中间分支最小0不合。
- m>1分支(m−1)²=1取2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:参数暂时固定再看x
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要求f(x)>0对闭区间每点成立,应检查最大值还是最小值?
查看参考答案与解析
最小值必须>0。
- 闭区间连续函数取得最小值,最不利点仍为正才可。
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概念、推导与边界
对f(x)=x²+ax+b在[0,1]上,顶点为−a/2;a≥0、−2≤a≤0、a≤−2对应左端、顶点、右端取最小。最大值比较b与1+a+b,分界为a=−1。
例如f(x)=x²+ax−1在[0,3]最小−2。顶点在区间时−1−a²/4=−2给a=±2,但该分支要求−6≤a≤0,故仅a=−2有效。其余分支也要分别排除。
把某表达式对所有参数的严格上界转为其最小值时,必须检查下界是否能达到。若最小值3能够达到,则m<R恒成立要求m<3,不能写m≤3。
求参数化最小值的“最小值”并不总有答案:例8在a>2时m=1−a/2,无下界。不能因问题措辞预设最值存在。
进入原讲义例题 · 3
例题 6 · 最大值限制确定参数
f(x)=(3−a)x²+2(a−2)x−4的最大值小于1/2,求a范围。
查看参考答案与解析
7/2<a<5
- 存在最大值要求a>3;a=3时为非常数一次函数。
- 最大值为−4+(a−2)²/(a−3)。要求2(a−2)²<9(a−3),化为(2a−7)(a−5)<0。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 两函数之和与顶点条件
x=p(p>0)时二次函数f(x)有最大值5;二次函数g(x)的最小值为−2,f(x)+g(x)=x²+16x+13,g(p)=25。求p及f(x)。
查看参考答案与解析
p=1,f(x)=−2(x−1)²+5。
- p²+16p+13=f(p)+g(p)=30,p=1或−17,取p=1。
- 设f(x)=A(x−1)²+5(A<0),则g(x)=(1−A)x²+(16+2A)x+8−A。
- g(x)+2的最小值为0,判别式为0,即216+108A=0,故A=−2;g(x)=3(x+2)²−2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 含参数最小值函数及其下界
0≤x≤1,f(x)=x²−ax+a/2(a>0),最小值为m。(1)用a表示m;(2)求m的最小值及此时a。
原题勘误与整理备注原题:(2)求m的最小值及此时a;整理结论:按印刷条件a>0,m无最小值;依据:数学推导,未擅自把最小值改为最大值。
查看参考答案与解析
(1)0<a≤2时m=a/2−a²/4;a>2时m=1−a/2。(2)m无最小值。
- 顶点为x=a/2。落在区间内时取顶点值;a>2时函数在[0,1]递减,取f(1)。
- a趋向正无穷时1−a/2趋向负无穷,因此按原题所给a>0,m无下界。
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函数 → 二次函数 → 图像、根的位置与符号
Δ判根数,根的和积判符号;要求两根都落在某区间,还要把对称轴和端点函数值一起考虑。先画开口和横轴交点示意,再翻译条件。
这节学会什么
- 能解释:根的位置不只靠判别式
- 能说明并应用:两根都在区间内的判据
根的位置不只靠判别式
Δ判根数,根的和积判符号;要求两根都落在某区间,还要把对称轴和端点函数值一起考虑。先画开口和横轴交点示意,再翻译条件。
两根都在区间内的判据
a>0且要求两不等实根都在(l,r):Δ>0,l<h<r,f(l)>0且f(r)>0。轴在内保证两根不能同时在区间同一侧;端点为正排除端点夹在根之间。闭区间允许端点根时改用≥,是否允许重根单独说明。
从正根问题看统一结构
两根都大于k可令t=x−k,转成t的两正根条件。这里“移原点”把根的位置变为符号问题;a<0时可先把方程乘−1,不改变根。
跟着做:把方法走一遍
示范:根的位置不只靠判别式
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都在。
- Δ=1>0,h=2.5在区间内。
- f(1)=2>0、f(4)=2>0,满足判据;实际根2、3可复核。
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自检:根的位置不只靠判别式
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仅有f(l)>0、f(r)>0能保证两根在(l,r)吗?
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不能。
- f(x)=(x−5)(x−6),取(l,r)=(0,1),两端为正但根都在右侧。
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条件与用法
设 f(x)=Ax²+Bx+C,A≠0。一根小于 r、另一根大于 r,当且仅当 A·f(r)<0;该严格条件已保证两个不同实根。
p<q 时,一根小于 p、另一根大于 q,当且仅当 A·f(p)<0 且 A·f(q)<0。
两实根都大于 r:Δ≥0,对称轴 −B/(2A)>r,且 A·f(r)>0。两根都小于 r 时把对称轴条件改为 <r。
两实根都在 (p,q):Δ≥0,p<−B/(2A)<q,A·f(p)>0,A·f(q)>0;若要求不等根,改用 Δ>0。端点不在区间内,所以端值不等式保持严格。
两个不交叠区间各有一根时,可在各区间寻找端值异号;二次方程至多两个根,得到的位置即已完整。
进入原讲义例题 · 14
例题 3 · 两根分居指定点两侧
方程 2kx²−2x−3k−2=0 的一根小于 1,另一根大于 1。求实数 k 的取值范围。
查看参考答案与解析
k<−4 或 k>0。
- 令 f(x)=2kx²−2x−3k−2,二次项系数 A=2k。两根分居 1 两侧,当且仅当 A·f(1)<0。
- f(1)=−k−4,所以 −2k(k+4)<0,即 k(k+4)>0,得到 k<−4 或 k>0。边界 k=−4 有根 1;k=0 退化为一次方程,均不符合。
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例题 4 · 两根分别越过区间端点
方程 (1−m²)x²+2mx−1=0 的两根满足 x₁<0,x₂>1。求实数 m 的取值范围。
查看参考答案与解析
−1<m<0。
- 令 A=1−m²。两根分居 0 两侧要求 A·f(0)<0;f(0)=−1,因此 A>0,即 −1<m<1。
- 此时抛物线开口向上,1 仍须位于两根之间,故 f(1)=m(2−m)<0。在 −1<m<1 内得到 m<0,故 −1<m<0。
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例题 5 · 两根分别落在两个区间
方程 3x²−5x+a=0 的两根 x₁、x₂ 满足 −2<x₁<0,1<x₂<3。求 a 的取值范围。
查看参考答案与解析
−12<a<0。
- 抛物线开口向上。要在 (−2,0) 与 (1,3) 各有一根,需 f(−2)>0、f(0)<0、f(1)<0、f(3)>0。两个区间各有一次符号变化,足以保证两根位置。
- 四条件依次为 a+22>0、a<0、a−2<0、a+12>0。交集为 −12<a<0;端点会使根落在区间端点,不能取。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 所有根在区间内与降次检查
方程 mx²−2(m+5)x+m+22=0 的所有根在 (2,5) 内。求 m 的取值范围。
原题勘误与整理备注原题未称“一元二次方程”,因此按原式保留 m=0 的退化情形;不把无实根解释为条件自动成立。
查看参考答案与解析
m=0,或 7/4<m≤25/12。
- 先检查退化:m=0 时,−10x+22=0 的唯一根为 11/5,符合。
- m≠0 时需有实根,判别式 Δ=4(25−12m)≥0;对称轴 x=1+5/m 必须在 (2,5) 内。后者排除 m<0,并得到 5/4<m<5。
- 此时 m>0,还需 f(2)=m+2>0、f(5)=16m−28>0,故 m>7/4。结合判别式得 7/4<m≤25/12。
- m=25/12 时两根重合在 x=17/5,仍在区间内;m=7/4 时有根 5,排除。这里“所有根”按存在实根且全部实根在该区间理解。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 三元条件转化为两根位置
实数满足 a>b>c,a+b+c=1,a²+b²+c²=1。求 a+b 的取值范围。
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1<a+b<4/3。
- 设 s=a+b=1−c。由 a²+b²=1−c² 得 ab=c²−c。因此 a、b 是 t²−(1−c)t+c²−c=0 的两根。
- a>b 要求 D=1+2c−3c²=(1−c)(1+3c)>0,即 −1/3<c<1。较小根 b=(1−c−√D)/2 还须大于 c,所以 1−3c>√D。
- 先要求 c<1/3,再平方得 4c(3c−2)>0。在 −1/3<c<1/3 内只能取 −1/3<c<0。反过来,此区间保证以上所有严格不等式,故范围完整。
- 于是 s=1−c 的范围是 (1,4/3)。两个端点分别导致 b=c 或 a=b,不能取。
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例题 8 · 由符号条件证明判别式为正
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b²−4ac>0。
- 恒等变形:b²−4ac=(b−2a)²−4a(a−b+c)。
- 第一项非负,第二项由已知条件严格为正,因此 b²−4ac>0。也可把 a(a−b+c)=a·f(−1)<0 看作两根分居 −1 两侧,从而判别式为正。
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例题 9 · 乘积型方程的两根夹住参数
(x−a)(x−a−b)=1 的两根 x₁<x₂。求证:x₁<a<x₂。
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x₁<a<x₂。
- 令 f(x)=(x−a)(x−a−b)−1,开口向上且 f(a)=−1<0。
- 所以 a 严格位于两个零点之间。亦可写 f(a)=(a−x₁)(a−x₂)<0,结合 x₁<x₂ 即得 x₁<a<x₂。
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例题 11 · 所有根为小于一的正数
若关于 x 的方程 (1−m²)x²+2mx−1=0 的所有根都是比 1 小的正实数根,求实数 m 的取值范围。
原题勘误与整理备注原题为“关于 x 的方程”,未限定必须为二次,故 m=1 必须单独保留。
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m=1,或 m>2。
- 恒等分解:[(1−m)x+1][(1+m)x−1]=0。
- m≠±1 时两个根为 1/(m+1)、1/(m−1)。两者都在 (0,1) 内,分别要求 m>0 与 m>2,合并为 m>2。
- m=1 时原式为 2x−1=0,唯一根 1/2 符合;m=−1 时根 −1/2 不符合。m=2 有根 1,须排除。
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例题 10 · 双二次方程四根的位置
方程 mx⁴−(m−3)x²+3m=0 有一根小于−2,其余3根都大于−1,求 m 的取值范围。
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−4/5<m<0。
- m=0 退化为 3x²=0,不能符合。令 t=x²,两个 t 根记为 u<v,原四根为 −√v、−√u、√u、√v。
- 条件等价于 0<u<1、v>4;且 u v=3。只要4位于两个 t 根之间,就有 v>4、u=3/v∈(0,3/4),自动满足。
- 除以 m 后,t方程为 F(t)=t²−(1−3/m)t+3=0。要求 F(4)=15+12/m<0,解得 −4/5<m<0。此时4在根间,乘积3保证另一根也正。端点 m=−4/5 有原根−2,不取。
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例题 6 · 图像符号与四个判断
(1)y=ax²+bx+c图像如图(1),判断a、b、c、b²−4ac、2a+b、a+b+c、a−b+c的符号。(2)图(2)经过(−1,2),与x轴交点横坐标x₁、x₂满足−2<x₁<−1,0<x₂<1。判断哪些正确:①4a−2b+c<0;②2a−b<0;③b<−1;④b²+8a>4ac。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
(1)开口向上、轴在0与1之间、左根在−1与0之间、右根大于1。(2)开口向下,过(−1,2),左根在−2与−1之间,右根在0与1之间。
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(1)依次正、负、负、正、正、负、正;(2)①②③④均正确。
- (1)开口向上a>0;对称轴h在0与1之间,故b<0、2a+b=2a(1−h)>0;y轴截距c<0;两个不同实根使Δ>0。图示−1在左根外,1在两根内,故f(−1)>0、f(1)<0。
- (2)开口向下,−2在左根外,故f(−2)=4a−2b+c<0,①成立。对称轴h=(x₁+x₂)/2>−1,而h=−b/(2a)、a<0,故2a−b<0,②成立。
- 又f(1)<0而f(−1)=2,所以2b=f(1)−f(−1)<−2,③成立。顶点在−1右侧,最大值严格大于f(−1)=2;即−Δ/(4a)>2,因a<0可得Δ+8a>0,④成立。
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例题 12 · 直线与抛物线交点的横向距离
二次函数f(x)=ax²+bx+c和一次函数g(x)=−bx满足a>b>c且a+b+c=0。(1)证明图像交于不同两点A、B;(2)证明方程f(x)−g(x)=0的两根都小于2;(3)求线段AB在x轴上的射影A₁B₁长度范围。
原题勘误与整理备注原文明确g(x)=−bx为一次函数,因此保留b≠0,并从投影长度范围中排除L=2;这是定义条件核对,不是更改题干。
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(1)(2)成立;(3)√3<L<2 或 2<L<2√3,其中L=A₁B₁。
- 由a>b>c及和0得a>0,c<0。令t=b/a,则a>b给t<1,b>c=−a−b给t>−1/2。原题还称g为一次函数,故b≠0,即t≠0。
- 交点横坐标解ax²+2bx+c=0,除以a得x²+2tx−1−t=0,两根为−t±√(t²+t+1)。根号内=(t+1/2)²+3/4>0,故两交点不同。
- 大根小于2等价于√(t²+t+1)<t+2;右边>0,平方后差为(t+2)²−(t²+t+1)=3(t+1)>0,所以两根都<2。
- x轴投影长度等于两横坐标之差L=2√((t+1/2)²+3/4)。在−1/2<t<1时此式严格递增,整体范围为(√3,2√3),但t=0被一次函数条件排除且唯一对应L=2,因此最终为(√3,2)∪(2,2√3)。
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例题 10 · 根跨越区间与根平方和最值
x²+(2m−1)x+m−6=0的两根x₁≤−1、x₂≥1。(1)求m范围;(2)求x₁²+x₂²的最大值和最小值。
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(1)−4≤m≤2;(2)最大101,最小43/4。
- 开口向上,两根跨越[−1,1]等价于F(−1)=−m−4≤0及F(1)=3m−6≤0。
- 根平方和=(1−2m)²−2(m−6)=4m²−6m+13=4(m−3/4)²+43/4。顶点在范围内,最小43/4;端点值101、17,最大101。
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例题 12 · 整系数抛物线的全局夹逼
f(x)=ax²+bx+c,a、b、c为整数;抛物线在−2<x<0内与x轴有两个不同交点,且任意实数x均有4x+2≤f(x)≤8x²+8x+4。求f(x)。
原题勘误与整理备注原题要求解析式,按现有印刷条件共有五个符合的解析式,并非唯一;依据:独立推导和逐组代回。
查看参考答案与解析
f(x)可为2x²+5x+3、3x²+7x+3、4x²+7x+3、4x²+8x+3、5x²+8x+3。
- 上下界给0<a≤8、2≤c≤4。两侧差函数非负要求(b−4)²≤4a(c−2);a<8时还要求(8−b)²≤4(8−a)(4−c),a=8时须b=8。
- 两不同根均在(−2,0)等价于Δ>0、0<b<4a、c>0、4a−2b+c>0。
- 若c=2,则b=4,上述根条件要求3/2<a<2,无整数;若c=4,则b=8,根条件要求3<a<4,无整数。
- 所以c=3。枚举1≤a≤8,并联立(b−4)²≤4a、(8−b)²≤4(8−a)、b²>12a、0<b<4a、b<(4a+3)/2,得到(a,b)=(2,5),(3,7),(4,7),(4,8),(5,8)。逐组代入不等式均满足。
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例题 13 · 根的范围证明系数不等式
方程x²+bx+c=0有实根s、t,|s|<2、|t|<2,证明(1)|c|<4;(2)|b|<4+c。
查看参考答案与解析
两结论均成立。
- (1)c=st,故|c|=|s||t|<4。
- (2)f(2)=(2−s)(2−t)>0,f(−2)=(2+s)(2+t)>0,得4+c>2|b|≥|b|,故所证不等式成立。
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函数 → 二次函数 → 图像、根的位置与符号
多项式图像连续。如果f(l)<0而f(r)>0,图像从轴下走到轴上,中途必经过0,所以开区间(l,r)至少有一个实根。连续性是前提。
这节学会什么
- 能解释:异号为什么意味着穿过横轴
- 能说明并应用:充分条件不是必要条件
异号为什么意味着穿过横轴
多项式图像连续。如果f(l)<0而f(r)>0,图像从轴下走到轴上,中途必经过0,所以开区间(l,r)至少有一个实根。连续性是前提。
充分条件不是必要条件
两端同号也可能有根:x²−1在[−2,2]两端均正,中间却有两根。端点等于0只证明端点是根,不能直接当作开区间内部根。
二次情形可以更精确
二次函数的两个简单根之间与两侧符号不同,故f(l)f(r)<0时(l,r)恰有一个根。但对三次及更高多项式,异号只能保证至少一个,不能保证唯一。
跟着做:把方法走一遍
示范:异号为什么意味着穿过横轴
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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存在一个根。
- f(1)=−1,f(2)=2,乘积负。
- 多项式连续,区间内有根;二次异号情形恰一个。
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教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
f(x)=1/x在−1与1处异号,能推出区间内有零点吗?
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不能。
- 函数在0无定义,不连续;实际1/x从不为0。
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条件与用法
补全定理前提:f 在闭区间 [u,v] 连续,且 f(u)f(v)<0,则 (u,v) 内至少有一根;多项式函数天然连续。
讲义区间根定理行未显式写出连续性。长期知识须补全这一数学前提,不能推广到任意不连续函数。
可优先尝试 0、1、−1、1/2,或根据系数关系选能消去某一参数的点。例1用 f(0)>0、f(1)<0 避免复杂判别式;例12选 (m+1)/(m+2) 消去 a 项。
端点异号只是保证至少一根,不保证恰有一根;只有结合二次函数结构或单调性才能进一步说明。
进入原讲义例题 · 4
例题 1 · 用端点异号证明恒有实根
求证:对所有实数 a,方程 (a³−2a²+7a)x²−(a³+4a²+9a+6)x+5a²+4=0 至少有一个实根。
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对所有实数 a,方程在 (0,1) 内至少有一个实根。
- 令左端为 f(x)。f(0)=5a²+4>0,而 f(1)=−a²−2a−2=−(a+1)²−1<0。
- 多项式函数连续,所以在 (0,1) 内至少有一个零点。此方法不要求二次项系数非零;a=0 时方程退化为 −6x+4=0,根为 2/3,同样符合结论。
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例题 10 · 系数关系保证区间内有根
已知 2a+3b+6c=0。求证:二次方程 ax²+bx+c=0 在 (0,1) 内至少有一个根。
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在 (0,1) 内至少有一个根。
- 因为是二次方程,a≠0。由已知得 b=−2a/3−2c。令 f(x)=ax²+bx+c,则 f(1/2)=−a/12,f(0)+f(1)=a/3。
- 若 a>0,f(1/2)<0,而两个端点函数值至少有一个为正;若 a<0,f(1/2)>0,而至少一个端点函数值为负。
- 因此在 (0,1/2) 或 (1/2,1) 内出现连续函数的异号端值,至少存在一个根,必在 (0,1) 内。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 12 · 分式系数关系与区间选点
设实数 a、b、c、m 满足 a/(m+2)+b/(m+1)+c/m=0,且 a≥0、m>0。求证:方程 ax²+bx+c=0 有一根 x₀,满足 0<x₀<1。
查看参考答案与解析
存在 x₀∈(0,1) 使 ax₀²+bx₀+c=0。
- m>0 保证三个分母均非零。设 t=(m+1)/(m+2),则 0<t<1,由条件 b=−(m+1)[a/(m+2)+c/m]。
- 令 f(x)=ax²+bx+c,代入得到 f(t)=−c/[m(m+2)]。若 c≠0,则 f(0)f(t)=−c²/[m(m+2)]<0,连续性保证在 (0,t) 内有根。
- 若 c=0 且 a>0,则 f(x)=ax[x−(m+1)/(m+2)],t 就是所需根。若 a=c=0,条件给出 b=0,原式恒为零,可取 x₀=1/2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 系数线性关系保证区间内有根
已知a/4+b/3+c/2=0,求证ax²+bx+c=0至少有一根x₀∈(0,1)。
查看参考答案与解析
至少有一根在(0,1)。
- 由条件b=−3a/4−3c/2。令f(x)=ax²+bx+c,则f(0)=c,f(3/4)=−c/8。
- c≠0时两值异号,连续性保证(0,3/4)内有根。
- c=0时f(x)=ax(x−3/4);a≠0可取x₀=3/4,a=0则b=0、原式恒为零,可取x₀=1/2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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基础
二次函数符号、方程实根与不等式解集
函数 → 二次函数 → 图像、根的位置与符号
a>0且两根r<s时,a(x−r)(x−s)在两根之外为正、两根之间为负。原因是外侧两因子同号,内部异号;a<0时整体翻号。
这节学会什么
- 能解释:先从两因子符号开始
- 能说明并应用:根数改变符号表
开口向上的二次函数:两个实根、二重实根、无实根三种情形及对应符号。先从两因子符号开始
a>0且两根r<s时,a(x−r)(x−s)在两根之外为正、两根之间为负。原因是外侧两因子同号,内部异号;a<0时整体翻号。
根数改变符号表
重根时a(x−r)²除根点外都与a同号;无实根时整个实数轴也与a同号。严格不等式不含零点,≥或≤要按方向考虑是否包含根点。
解题顺序
先统一移到一边并确认首项系数,解零点,按顺序标在数轴,分区间判断符号,再决定端点。含参数时要同时分类a的符号、是否降次以及两根次序。
跟着做:把方法走一遍
示范:先从两因子符号开始
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1≤x≤3。
- 根为1、3,开口向上,根间负。
- 非严格不等式包含两个零点。
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自检:先从两因子符号开始
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无解。
- 平方非负,取负后恒≤0,不可能严格正。
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概念、推导与边界
对同一个式子f(x)=ax²+bx+c,方程f(x)=0找图像与x轴交点横坐标;f(x)>0找图像在轴上方的全部横坐标;f(x)<0找轴下方。因此根是区间的边界,解集是一段或几段横坐标,并不是根本身。
a>0、Δ>0时,设x₁<x₂,有f(x)=a(x−x₁)(x−x₂)。x<x₁时两因子均负、乘积正;根间一正一负;x>x₂时均正。因此小于0取根间,大于0取两侧。含等号时要把根纳入。
例:1+x−6x²>0乘−1化为6x²−x−1<0,因式分解为(3x+1)(2x−1)<0。根−1/3、1/2把数轴分三段,只有中段乘积负,解为−1/3<x<1/2。乘负数必须改变不等号。
a>0、Δ=0时为a(x−h)²,仅x=h为0:严格大于0排除h,严格小于0无解;Δ<0时图像全在x轴上方,大于0解为全体实数,小于0无解。不能对无实根或重根机械套“两根之间”。
含参数时先检查二次项是否为0,再比较两根大小。例如(ax−1)(x−1)<0的分界不仅有a=0,还包括两根重合的a=1。分式问题必须先证明分母符号;根式换元必须保留新变量非负。
函数图像与根、符号的对应图
三幅图为a>0时的定性示意。根的具体正负不是一般结论;重点是图像相对x轴的位置和交点个数。
进入原讲义例题 · 8
例题 1 · 函数符号求四组不等式解集
解不等式:(1)1+x−6x²>0;(2)4x²−4x+1>0;(3)x²/3−2x/3−5≥0;(4)−x²+2x+1<0。
查看参考答案与解析
(1)−1/3<x<1/2;(2)x≠1/2;(3)x≤−3或x≥5;(4)x<1−√2或x>1+√2。
- (1)化为(3x+1)(2x−1)<0,取两根之间。
- (2)(2x−1)²>0,排除使平方为0的点。
- (3)乘正数3得(x−5)(x+3)≥0,取两侧并含根。
- (4)乘−1后反向得(x−1)²>2。
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例题 2 · 恒正分母化简分式不等式
求(7x²−6x−1)/(x²−x+1)<0的解集。
查看参考答案与解析
−1/7<x<1
- 分母=(x−1/2)²+3/4>0,故仅需(7x+1)(x−1)<0。
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例题 3 · 绝对值换元解二次不等式
查看参考答案与解析
x<−8或x>8
- 设u=|x|≥0,得到(u−8)(u+3)>0,结合u≥0得u>8。
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例题 4 · 已知解集反求二次系数
ax²+bx−2>0的解集为−2<x<−1/4,求a、b。
查看参考答案与解析
a=−4,b=−9。
- 两边界为零点,设a(x+2)(x+1/4),常数a/2=−2得a=−4,展开得b=−9;开口向下符合根间取正。
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例题 5 · 零点区间确定函数值大小
ax²+bx+c<0的解集为x<−2或x>4。对f(x)=ax²+bx+c,比较f(−1)、f(2)、f(5)。
查看参考答案与解析
f(5)<f(−1)<f(2)
- 根为−2、4,a<0,对称轴为1。三点距轴分别为2、1、4;开口向下时离轴越远值越小。
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例题 7 · 含参数二次不等式分类讨论
设a为参数,解关于x的一元二次不等式ax²−(a+1)x+1<0。
原题勘误与整理备注原题称一元二次不等式,严格术语要求a≠0;附列a=0的退化一次情形,供参数讨论使用;依据:数学定义。
查看参考答案与解析
a<0:x<1/a或x>1;0<a<1:1<x<1/a;a=1:无解;a>1:1/a<x<1。若允许退化a=0,则x>1。
- 因式分解为(ax−1)(x−1)<0。a≠0时根为1/a与1,分别比较a符号以及两根顺序。a=1时为平方<0,无解。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 正值区间与水平线交点
二次函数y=ax²+bx+c与直线y=25有交点,且ax²+bx+c>0的解为−1/2<x<1/3。求a、b、c范围。
查看参考答案与解析
a≤−144,b≤−24,c≥24,且b=a/6、c=−a/6。
- 设f(x)=a(x+1/2)(x−1/3),a<0,因此b=a/6、c=−a/6。
- 轴为−1/12,最大值−25a/144。与y=25相交等价于−25a/144≥25,得a≤−144。三系数不能独立选择,还需保持给定比例。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 12 · 倒数变换后的不等式解集
ax²+bx+c>0的解为α<x<β,其中α>0。求cx²−bx+a>0的解。
查看参考答案与解析
−1/α<x<−1/β。
- 原式=a(x−α)(x−β),a<0且0<α<β。新式=a(αx+1)(βx+1),开口系数c=aαβ<0。
- 新根为−1/α、−1/β,顺序为−1/α<−1/β,因此取根间。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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函数 → 二次函数 → 图像与坐标几何
抛物线上的点P可设为(t,f(t)),这样自动满足在曲线上的条件。横轴交点先解f(x)=0,纵轴交点是(0,c)。点名与参数应固定,避免把横坐标当长度。
这节学会什么
- 能解释:把图形点放回函数
- 能说明并应用:面积尽量选简单底边
把图形点放回函数
抛物线上的点P可设为(t,f(t)),这样自动满足在曲线上的条件。横轴交点先解f(x)=0,纵轴交点是(0,c)。点名与参数应固定,避免把横坐标当长度。
面积尽量选简单底边
若三角形两顶点在横轴,底长为两横坐标之差的绝对值,第三点的高为|f(t)|。于是面积=底×|f(t)|/2,几何最值转成有定义域的函数最值。
范围来自图形位置
题目若要求P在两根之间,参数就限于对应区间;若排除交点,则端点不可取。最后写清最值对应的点坐标,不能只给函数值。
跟着做:把方法走一遍
示范:把图形点放回函数
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
y=−x²+4与横轴交于A、B,P在两交点之间的抛物线上。求△ABP最大面积。
查看参考答案与解析
8,P=(0,4)。
- 两根±2,底AB=4。
- 区间内y≥0,面积2(4−t²),在t=0取最大8。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
在习题库中打开本题自己试一试
自检:把图形点放回函数
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
查看参考答案与解析
6。
- 底4、高3,面积4×3/2=6。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
在习题库中打开本题继续提高:讲义中的相关关系与方法
方法与条件
水平弦两端关于对称轴对称。平移至顶点为原点能简化坐标而不改变距离和直角。
直角可以用向量点积为0表示,所求到水平弦的高等于纵坐标差的绝对值。
几何变量仍有位置条件,例如斜边为水平弦时直角顶点投影位于弦两端之间,不能把退化三角形算入。
进入原讲义例题 · 1
例题 5 · 抛物线上直角三角形的高
Rt△ABC的三个顶点均在抛物线y=−3x²+bx+c上,斜边BC平行于x轴,求斜边上的高。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
平移坐标后的示意:A、B、C均在抛物线上,BC水平,AB⊥AC,AH⊥BC,待求高标为h。
查看参考答案与解析
1/3。
- 平移坐标把抛物线化为y=−3x²。设B=(−u,−3u²)、C=(u,−3u²),u>0;A=(v,−3v²)。
- A在以BC为直径的圆上,且不同于B、C,所以|v|<u。设d=u²−v²>0。由AB⊥AC,向量点积为(v²−u²)+9(u²−v²)²=0,即d(9d−1)=0。
- 于是d=1/9。A到水平直线BC的距离为3d=1/3。平移不改变距离。
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函数 → 二次函数 → 图像与坐标几何
一族抛物线由参数m控制。每个m产生一个顶点(h(m),k(m));所有顶点构成轨迹。先用不同字母区分曲线上点的x与族参数m。
这节学会什么
- 能解释:动的是参数,不是另一个横坐标
- 能说明并应用:消去参数得到轨迹方程
动的是参数,不是另一个横坐标
一族抛物线由参数m控制。每个m产生一个顶点(h(m),k(m));所有顶点构成轨迹。先用不同字母区分曲线上点的x与族参数m。
消去参数得到轨迹方程
先配方求h、k。若h可反解m,就代入k;如果存在两种m或m有限制,必须保留分支与横坐标范围。消参式可能包含并不存在的点,需要反向检查。
共同定点是另一类问题
若f_m(x)=g(x)+m q(x),所有曲线共同经过的横坐标要满足q(x)=0,再求y=g(x)。这与顶点轨迹不同,不能混为同一个“轨迹”。
跟着做:把方法走一遍
示范:动的是参数,不是另一个横坐标
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y=x(x为任意实数)。
- 配方y=(x−m)²+m,顶点(m,m)。
- m遍历实数,故所有顶点满足纵横坐标相等,且每点都能取得。
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自检:动的是参数,不是另一个横坐标
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(1,1)。
- 参数项在x=1时消失,y=1。
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概念与方法
若y=F(x)+mG(x)对所有参数都过同一点,则该点横坐标必须使G(x)=0,再代入F确定纵坐标。
顶点轨迹先写(X,Y)关于参数的表达式,再消去参数;最后检查参数范围对应整条曲线还是部分曲线。
进入原讲义例题 · 1
例题 10 · 抛物线族的定点与顶点轨迹
证明:无论a取任何实数,抛物线y=x²+(a+1)x+a/2+1/4恒过定点,且这些抛物线的顶点都在一条确定的抛物线上。
查看参考答案与解析
恒过定点(−1/2,0);顶点轨迹为Y=−(X+1/2)²。
- 重写y=(x+1/2)²+a(x+1/2),在x=−1/2时y=0,与a无关。
- 顶点横坐标X=−(a+1)/2,纵坐标Y=−a²/4。消去a=−2X−1,得到Y=−(X+1/2)²。
- a遍历所有实数时X也遍历所有实数,故轨迹为整条所给抛物线。
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函数 → 二次函数 → 函数值、系数与综合估计
设f(x)=ax²+bx+c,知道三个不同横坐标的函数值,就得到关于a、b、c的三个一次方程。若目标只是某个系数组合,不一定先把三系数全部解出。
这节学会什么
- 能解释:三个值为什么够用
- 能说明并应用:选点让项抵消
三个值为什么够用
设f(x)=ax²+bx+c,知道三个不同横坐标的函数值,就得到关于a、b、c的三个一次方程。若目标只是某个系数组合,不一定先把三系数全部解出。
选点让项抵消
f(1)=a+b+c、f(−1)=a−b+c、f(0)=c。所以b=[f(1)−f(−1)]/2,a=[f(1)+f(−1)−2f(0)]/2。对称点相加消一次项,相减消偶次项。
拼出目标再估计
要估计b,只需写成上面的差,再利用两个函数值的已知范围。若求f(t),也可用三个已知函数值的线性组合;系数需通过展开核对,不能凭相似样子套用。
跟着做:把方法走一遍
示范:三个值为什么够用
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f(−1)=3、f(0)=2、f(1)=5,求a、b、c。
查看参考答案与解析
a=2,b=1,c=2。
- c=2,b=(5−3)/2=1。
- a=(5+3−4)/2=2。
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自检:三个值为什么够用
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若|f(1)|≤1、|f(−1)|≤1,能得|b|≤多少?
查看参考答案与解析
1。
- |b|=|f(1)−f(−1)|/2≤(1+1)/2=1。
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方法与条件
先把已知函数值命名为独立变量,再用待定系数消元。目标可写成线性组合时,其范围由系数符号决定。
分别关于两个变量的一次式在矩形区域上的最值可查四个顶点,但仍要检查变量组合是否都能对应原题的合法函数。
进入原讲义例题 · 4
例题 1 · 两个已知函数值的线性组合
f(x)=ax²+b 满足 −4≤f(1)≤−1,−1≤f(2)≤5,求 f(3) 的取值范围。
查看参考答案与解析
−1≤f(3)≤20。
- 令 u=f(1)、v=f(2),则 a=(v−u)/3,f(3)=(8v−5u)/3。
- 分别在 u∈[−4,−1]、v∈[−1,5] 上取端点:最小值 (−8+5)/3=−1,最大值 (40+20)/3=20。任意一组 u、v 都能唯一确定 a、b,所以边界能取到且中间值也能取到。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 2 · 用根的区间求系数表达式范围
方程 x²−ax+b=0 的两根 x₁、x₂ 满足 −1≤x₁≤1,1≤x₂≤2,求 a−2b 的取值范围。
查看参考答案与解析
−1≤a−2b≤5。
- 由韦达定理,a−2b=x₁+x₂−2x₁x₂。这是分别关于每个变量的一次式,矩形区域上的最大最小值在顶点取得。
- 四顶点 (−1,1)、(−1,2)、(1,1)、(1,2) 对应 2、5、0、−1。故范围为 [−1,5],所有值由连续性取得。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 3 · 区间有界二次函数的系数估计
f(x)=ax²+bx+c,当 0≤x≤1 时 |f(x)|≤1,求 |a|+|b|+|c| 的最大值。
查看参考答案与解析
最大值为 17,f(x)=8x²−8x+1 可取到。
- 设 u=f(0)、v=f(1/2)、w=f(1),三者绝对值均不超过1。解得 c=u,a=2u−4v+2w,b=−3u+4v−w。
- 由三角不等式得 |a|≤8、|b|≤8、|c|≤1,所以总和≤17。
- 取 f(x)=8(x−1/2)²−1,在 [0,1] 上的值域为 [−1,1],系数绝对值和为17,证实上界可达。
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例题 15 · 闭区间绝对值界确定系数
求实数对(p,q),使|x²+px+q|≤2对1≤x≤5恒成立。
查看参考答案与解析
(p,q)=(−6,7)。
- 记f=x²+px+q,则f(1)+f(5)−2f(3)=8。各项有界给左侧≤2+2+4=8,所以必须f(1)=f(5)=2、f(3)=−2。
- 由两端相等得p=−6,再得q=7。验证f(x)=(x−3)²−2在[1,5]值域[−2,2]。
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函数 → 二次函数 → 函数值、系数与综合估计
若|f(x)|≤1在[−1,1]恒成立,尤其在−1、0、1成立。用a=[f(1)+f(−1)−2f(0)]/2得|a|≤2。这一步只用了三个点,是必要估计。
这节学会什么
- 能解释:有限采样提供必要界
- 能说明并应用:构造达到界的函数
有限采样提供必要界
若|f(x)|≤1在[−1,1]恒成立,尤其在−1、0、1成立。用a=[f(1)+f(−1)−2f(0)]/2得|a|≤2。这一步只用了三个点,是必要估计。
构造达到界的函数
要让a=2,可取f(1)=f(−1)=1、f(0)=−1,得到f(x)=2x²−1。对|x|≤1确有−1≤2x²−1≤1,因此界2能够达到。
三个点通过不等于全区间通过
对一般候选函数,还需查内部顶点。只在采样点满足条件,并不总能保证其他点也满足。例如f(x)=−2x²+x+1在−1、0、1的值为−2、1、0,若采样范围是[−2,1]全部通过,但顶点1/4处为9/8>1。
跟着做:把方法走一遍
示范:有限采样提供必要界
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|f(x)|≤1对[−1,1]成立,求a的最大可能值。
查看参考答案与解析
2。
- 三个采样值给a≤(1+1+2)/2=2。
- f(x)=2x²−1在整个区间满足条件并取得a=2。
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自检:有限采样提供必要界
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一般不够。
- f(x)=1−x²在[−1,1]端点都是0,内部却有最大值1。
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方法与条件
|f(x)|≤M给出每个选定点的函数值界。系数由这些值的线性组合表示,便可推得系数上界。
候选函数不只要通过几个采样点,还必须在整个区间满足条件;配方检查顶点和端点。
若不等式链最终取等,各中间不等式都必须取等,常能唯一确定函数。
进入原讲义例题 · 2
例题 3 · 区间有界二次函数的系数估计
f(x)=ax²+bx+c,当 0≤x≤1 时 |f(x)|≤1,求 |a|+|b|+|c| 的最大值。
查看参考答案与解析
最大值为 17,f(x)=8x²−8x+1 可取到。
- 设 u=f(0)、v=f(1/2)、w=f(1),三者绝对值均不超过1。解得 c=u,a=2u−4v+2w,b=−3u+4v−w。
- 由三角不等式得 |a|≤8、|b|≤8、|c|≤1,所以总和≤17。
- 取 f(x)=8(x−1/2)²−1,在 [0,1] 上的值域为 [−1,1],系数绝对值和为17,证实上界可达。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 · 函数值界的传递与取等条件
f(x)=ax²+bx+c,g(x)=ax+b,当 −1≤x≤1 时 |f(x)|≤1。(1)证明:−1≤x≤1 时 |g(x)|≤2;(2)设 a>0,当 −1≤x≤1 时 g(x) 的最大值是2,求 f(x)。
查看参考答案与解析
(1)|g(x)|≤2;(2)f(x)=2x²−1。
- (1)a+b=f(1)−f(0),a−b=f(−1)−f(0),故 |a+b|≤2、|a−b|≤2。由 |a|+|b|=max{|a+b|,|a−b|},得到 |ax+b|≤|a|+|b|≤2。
- (2)a>0 时 g 最大值在 x=1,故 a+b=2。等式 f(1)−f(0)=2 强迫 f(1)=1、f(0)=c=−1。
- 因为 f(x)≥−1 且 x=0 为区间内点,必须 b=0:否则取足够小且与 b 反号的 x,就有 ax²+bx<0。于是 a=2。检验 2x²−1 在 [−1,1] 的值域确为 [−1,1]。
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几何 → 三角形 → 基础:面积、全等与对应
三角形面积S=底×高÷2。高是对所选底所在直线的垂直距离,可以落在底边延长线上。换底时高也随之更换;图上斜边通常不是高。
这节学会什么
- 能解释:面积需要一条底和对应的高
- 能说明并应用:同高消去高,同底消去底
D在BC上,两小三角形对直线BC的高都是AH,所以面积比等于BD:DC。面积需要一条底和对应的高
三角形面积S=底×高÷2。高是对所选底所在直线的垂直距离,可以落在底边延长线上。换底时高也随之更换;图上斜边通常不是高。
同高消去高,同底消去底
若D在BC上,△ABD与△ACD对BC的高相同,面积比为BD:DC。若两个三角形同底,它们的面积比就是高之比。先说清共用哪条直线,再列比例。
整体怎样拆开
内部一点D把△ABC分成△ABD与△ACD时,两小面积之和是总面积。由S₁:S₂=2:3可知S₁占总面积2/5,不能写成2/3。外部点常需要做面积差,不能机械相加。
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示范:面积需要一条底和对应的高
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D在BC上,BD=2、DC=3,△ABC面积20,求△ABD面积。
查看参考答案与解析
8。
- 两小三角形同高,面积比为2:3。
- △ABD占总面积2/(2+3),所以面积20×2/5=8。
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自检:面积需要一条底和对应的高
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2:3。
- 公用底与二分之一约去,面积比4:6=2:3。
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讲义与扩展依据
本节讲解、示范和自检为独立编写;讲义来源用于课程对应,外部资料的具体核对范围列在文末。
NCERT:Triangles核对先用面积建立平行截线、再引出相似判定的证明顺序。
几何 → 三角形 → 基础:面积、全等与对应
全等三角形能经过平移、旋转或翻折完全重合。对应边相等、对应角相等。对应顺序决定结论:△ABC≌△DEF写下后,AB对应DE,∠B对应∠E。
形状和大小一起固定
全等三角形能经过平移、旋转或翻折完全重合。对应边相等、对应角相等。对应顺序决定结论:△ABC≌△DEF写下后,AB对应DE,∠B对应∠E。
怎样判定
常用SSS三边、SAS两边及夹角、ASA两角及夹边、AAS两角及一对应边。直角三角形另有斜边与一直角边的HL。两边及非夹角SSA一般不够,因为可能拼出两个不同形状。
证明中的作用
看到等腰、等边、中点或垂直,先列出已知边角,再找两三角形。证明全等后才能搬运未给出的边角相等;不要把待证的等边先当作判定条件。
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示范:形状和大小一起固定
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查看参考答案与解析
AD垂直BC。
- AB=AC、BD=CD、AD公共,所以△ABD≌△ACD(SSS)。
- 两角ADB与ADC相等且和为180°,各为90°。
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自检:形状和大小一起固定
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查看参考答案与解析
不能,只能推出相似。
- 边长3、4、5与6、8、10的三角形角分别相等,但大小不同。
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讲义与扩展依据
本节讲解、示范和自检为独立编写;讲义来源用于课程对应,外部资料的具体核对范围列在文末。
NCERT:Triangles核对先用面积建立平行截线、再引出相似判定的证明顺序。
几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 比例与运算性质
一段绳长2米,另一段长50厘米。先换成200厘米与50厘米,再得比4:1。比描述“前者是后者的几倍”;交换顺序就变成1:4。线段长度为正,比值没有单位。
这节学会什么
- 能解释:先比较同一种量
- 能说明并应用:从两个比到一个比例
先比较同一种量
一段绳长2米,另一段长50厘米。先换成200厘米与50厘米,再得比4:1。比描述“前者是后者的几倍”;交换顺序就变成1:4。线段长度为正,比值没有单位。
从两个比到一个比例
a:b=c:d表示a/b=c/d,称四条线段成比例。a、d是外项,b、c是内项。等式两边乘bd得到ad=bc;这里b、d不为0。把每个字母先对应到具体线段,可防止交叉乘错。
部分之比与占比
D在AB内部且AD:DB=2:3,可设AD=2t、DB=3t,t>0,则AB=5t。于是AD/AB=2/5,不是2/3。比例只确定相对大小,还需要一条实际长度才能确定t。
跟着做:把方法走一遍
示范:先比较同一种量
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D在AB上,AD:DB=2:3,AB=15,求AD与DB。
查看参考答案与解析
AD=6,DB=9。
- 设AD=2t、DB=3t,总长5t=15,得t=3。
- 代回得6与9,和为15,比为2:3。
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AB=1.2米,CD=30厘米,AB:CD是多少?
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4:1。
- 统一为120厘米与30厘米,相除得4。
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概念与记法
四条线段的长度 a、b、c、d 满足 a/b=c/d 时,称这四条线段成比例。a、d 是外项,b、c 是内项。书写比例时先明确每个字母代表哪一段。
长度应统一单位;长度本身为正,分母不可为 0。线段比没有单位。
先区分“部分”与“整体”
若 AB 上有分点 D,则 AD+DB=AB。AD/DB 与 AD/AB 是不同的比。已知 AD:DB=m:n,可先换成 AD/AB=m/(m+n)。
从例题迁移
例1在同一条截线上连续等分,需要先求 EF、EG、EH 与对应余段的关系。例3将分割比例与两部分周长联系起来。
进入原讲义例题 · 2
例题 1 · 等分截线求梯形底边比
在梯形 ABCD 中,AB ∥ CD,AB < CD。一条直线交 BA 的延长线于 E,交 DC 的延长线于 J,交 AD 于 F,交 BD 于 G,交 AC 于 H,交 BC 于 I。已知 EF = FG = GH = HI = IJ,求 DC/AB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
上底依次 E、A、B;下底依次 D、C、J。截线依次 E、F、G、H、I、J;连接 AD、BC、AC、BD。
查看参考答案与解析
2
- 设 EA=x。
- 由 △EAF ∽ △JDF,JD/EA=JF/EF=4,得 JD=4x。
- 由 △EBG ∽ △JDG,EB/JD=EG/JG=2/3,得 EB=8x/3。
- 由 △EAH ∽ △JCH,JC/EA=JH/EH=2/3,得 JC=2x/3。
- 故 AB=EB−EA=5x/3,DC=JD−JC=10x/3,DC/AB=2。
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例题 3 · 等周长分割梯形
在梯形 ABCD 中,AD ∥ BC,AD=3,BC=9,AB=6,CD=4。若 EF ∥ BC,且梯形 AEFD 与梯形 EBCF 的周长相等,求 EF 的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD为上底、BC为下底,E在AB、F在DC上,连接EF。
查看参考答案与解析
39/5
- 令 t=AE/AB=DF/DC。
- 两梯形周长相等,消去共同边EF,得 3+6t+4t=9+6(1−t)+4(1−t),故20t=16,t=4/5。
- 平行截线长度随分点比例变化,EF=AD+t(BC−AD)=3+(4/5)×6=39/5。
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基础
比例基本性质、合比性质与等比性质
几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 比例与运算性质
a/b=c/d=k可写为a=kb、c=kd。因此a+c=k(b+d),当b+d≠0时,(a+c)/(b+d)=k。这是合比,不是把任意两个分数的分子分母直接相加。
这节学会什么
- 能解释:用同一个倍数解释性质
- 能说明并应用:倒比与更比的条件
用同一个倍数解释性质
a/b=c/d=k可写为a=kb、c=kd。因此a+c=k(b+d),当b+d≠0时,(a+c)/(b+d)=k。这是合比,不是把任意两个分数的分子分母直接相加。
倒比与更比的条件
由ad=bc,可得b/a=d/c,但a、c必须非零;也可得a/c=b/d,但c、d必须非零。无向线段长度天然为正,代数字母则不能自动假定。
为什么不能任意相减
同理(a−c)/(b−d)=k需b≠d。若a=c且b=d会出现0/0,原比例仍正确,差比却无定义。先看分母,再使用变形式。
跟着做:把方法走一遍
示范:用同一个倍数解释性质
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a/b=c/d=3,b=2、d=5,求(a+c)/(b+d)。
查看参考答案与解析
3。
- a=6,c=15,合比21/7=3。
- 一般推导是a+c=3(b+d),这里分母7非零。
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自检:用同一个倍数解释性质
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2/3=4/6,能推出(2+4)/(3+6)=2/3吗?能推出(2+3)/(4+6)=2/3吗?
查看参考答案与解析
第一式能;第二式不能。
- 第一式为6/9=2/3。
- 第二式为5/10=1/2,并非同一合比结构。
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基本性质
a/b=c/d ⇒ ad=bc。反过来,在 b、d 均不为 0 时,ad=bc ⇒ a/b=c/d。交叉相乘后仍需检查原分母非零。
合比与等比
若 a/b=c/d,则 (a+b)/b=(c+d)/d;也有 (a−b)/b=(c−d)/d。两边必须使用相同加减方式。
若 a/b=c/d=k,且 b+d≠0,则 (a+c)/(b+d)=k。可扩展到多组相同比值,但合并后的分母仍不能为 0。
为什么成立
把 a=kb、c=kd 代回:a+c=k(b+d)。同理 a±b=(k±1)b,因此这些性质来自同一个比例系数。
常见误用
不能把任意两个分数相加写成“分子相加、分母相加”。等比性质的前提是原有各比值相等。比为 k 不表示对应线段长度相等,只有 k=1 时才能如此判断。
进入原讲义例题 · 4
例题 1 · 等分截线求梯形底边比
在梯形 ABCD 中,AB ∥ CD,AB < CD。一条直线交 BA 的延长线于 E,交 DC 的延长线于 J,交 AD 于 F,交 BD 于 G,交 AC 于 H,交 BC 于 I。已知 EF = FG = GH = HI = IJ,求 DC/AB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
上底依次 E、A、B;下底依次 D、C、J。截线依次 E、F、G、H、I、J;连接 AD、BC、AC、BD。
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2
- 设 EA=x。
- 由 △EAF ∽ △JDF,JD/EA=JF/EF=4,得 JD=4x。
- 由 △EBG ∽ △JDG,EB/JD=EG/JG=2/3,得 EB=8x/3。
- 由 △EAH ∽ △JCH,JC/EA=JH/EH=2/3,得 JC=2x/3。
- 故 AB=EB−EA=5x/3,DC=JD−JC=10x/3,DC/AB=2。
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例题 3 · 等周长分割梯形
在梯形 ABCD 中,AD ∥ BC,AD=3,BC=9,AB=6,CD=4。若 EF ∥ BC,且梯形 AEFD 与梯形 EBCF 的周长相等,求 EF 的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD为上底、BC为下底,E在AB、F在DC上,连接EF。
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39/5
- 令 t=AE/AB=DF/DC。
- 两梯形周长相等,消去共同边EF,得 3+6t+4t=9+6(1−t)+4(1−t),故20t=16,t=4/5。
- 平行截线长度随分点比例变化,EF=AD+t(BC−AD)=3+(4/5)×6=39/5。
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例题 6 · 底边中点与两交点连线
在梯形ABCD中,AB ∥ CD,M是AB的中点,分别连接AC、BD、MD、MC,且AC与MD交于点E,BD与MC交于点F。(1)求证EF ∥ CD;(2)若AB=a,CD=b,求EF的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、M、B依次位于上底,下底D、C。E=AC∩MD,F=BD∩MC,连接EF。
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(1)EF ∥ CD;(2)ab/(a+2b)
- 由于AM ∥ CD,△AME ∽ △CDE,ME/ED=AM/CD=a/(2b)。
- 同理由BM ∥ CD,△BMF ∽ △DCF,MF/FC=a/(2b)。
- 所以 ME/MD=MF/MC=a/(a+2b)。
- 在△MDC中,比例线段定理的逆定理给出EF ∥ DC;再由相似得EF/DC=ME/MD,故EF=ab/(a+2b)。
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例题 11 · 过对角线交点的平行截线
在梯形ABCD中,AB ∥ CD,AC与BD交于O。MN ∥ AB,且直线MON交AD于M,交BC于N。求证:1/AB+1/CD=2/MN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB是下底、DC是上底,O为对角线交点,水平截线依次M-O-N。
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1/AB+1/CD=2/MN
- 设AB=a,CD=b。
- △AOB ∽ △COD,故AO/OC=BO/OD=a/b,从而AO/AC=BO/BD=a/(a+b)。
- 在△ADC中,MO ∥ DC,得MO=ab/(a+b);在△BDC中,ON ∥ DC,得ON=ab/(a+b)。
- 因此MN=2ab/(a+b),于是2/MN=(a+b)/(ab)=1/AB+1/CD。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 平行截线与比例定理
在△ABC中,D在AB、E在AC且DE∥BC。小三角形的两条边从共同顶点A出发,满足AD/AB=AE/AC;部分比也满足AD/DB=AE/EC。两类比例不要混写。
这节学会什么
- 能解释:先认同一对截线
- 能说明并应用:不靠相似的面积证明
D、E分别在AB、AC上,DE∥BC;比较从共同顶点A出发的对应线段。先认同一对截线
在△ABC中,D在AB、E在AC且DE∥BC。小三角形的两条边从共同顶点A出发,满足AD/AB=AE/AC;部分比也满足AD/DB=AE/EC。两类比例不要混写。
不靠相似的面积证明
△BDE与△CDE以DE为同底,B、C在平行线BC上,故面积相等。△ADE和△BDE对AB同高,面积比AD/DB;△ADE和△CDE对AC同高,面积比AE/EC。因此两比相等,再转为整体比。
看到什么就可以用
需要平行、交于两条截线以及正确的对应端点。若D或E在延长线上,先画清次序,使用有向比或分段长度,不把内部面积相加的步骤照搬到外部。
跟着做:把方法走一遍
示范:先认同一对截线
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DE∥BC,AD=3、DB=2、AE=6,求EC。
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4。
- AD/DB=AE/EC,得到3/2=6/EC。
- 交叉相乘3EC=12,所以EC=4。
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6。
- AE/AC=2/5,所以AE=15×2/5。
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三角形中的对应比例
在 △ABC 中,D在AB上、E在AC上,且 DE∥BC,则 AD/AB=AE/AC=DE/BC,同时 AD/DB=AE/EC。两种比法都成立,但不可混写。
截点在边的延长线上时,也必须根据实际共线顺序识别对应顶点和对应线段,不能照搬内部截点的加减关系。
两条截线与三条平行线
两条直线被三条平行直线所截,截得的对应线段成比例。同一条截线上等分,可以传递到另一条截线。
列比例前的三步
先圈出平行条件,再写出对应三角形或对应截线,最后按统一方向写比例。
已知局部线段时,先利用线段和差求整体;证明中写明使用平行条件,不能只依据图形看起来平行。
多个对应段一起看
先固定公共顶点,再沿两条平行截线分别写出交点顺序。同侧截线各对应段使用同一倍数;截线位于顶点两侧时,点序会反向,不能按字母出现次序机械配对。
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例题 1 · 等分截线求梯形底边比
在梯形 ABCD 中,AB ∥ CD,AB < CD。一条直线交 BA 的延长线于 E,交 DC 的延长线于 J,交 AD 于 F,交 BD 于 G,交 AC 于 H,交 BC 于 I。已知 EF = FG = GH = HI = IJ,求 DC/AB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
上底依次 E、A、B;下底依次 D、C、J。截线依次 E、F、G、H、I、J;连接 AD、BC、AC、BD。
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2
- 设 EA=x。
- 由 △EAF ∽ △JDF,JD/EA=JF/EF=4,得 JD=4x。
- 由 △EBG ∽ △JDG,EB/JD=EG/JG=2/3,得 EB=8x/3。
- 由 △EAH ∽ △JCH,JC/EA=JH/EH=2/3,得 JC=2x/3。
- 故 AB=EB−EA=5x/3,DC=JD−JC=10x/3,DC/AB=2。
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例题 2 · 内部一点的三条全截线
过 △ABC 内任一点 P,作 DE ∥ BC,HK ∥ AB,GF ∥ AC,求 DE/BC + FG/CA + KH/AB 的值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、G在AB上,H、E在AC上,K、F在BC上;DE、HK、GF都经过P。图示边上顺序为A-G-D-B、A-H-E-C、B-K-F-C。
查看参考答案与解析
2
- 记 △ABC 面积为 S。
- 由平行线相似与对应高之比,DE/BC=1−S(PBC)/S;FG/CA=1−S(PCA)/S;KH/AB=1−S(PAB)/S。
- P在内部,三个小三角形面积之和为S,因此所求和为3−1=2。
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例题 4 · 三条等长单侧线段
在 △ABC 中,BC=2,CA=3,AB=4。P是 △ABC 内一点,D、E、F分别在AB、BC、CA上,且 PD ∥ BC,PE ∥ AC,PF ∥ AB。若 PD=PE=PF=l,求l的值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在三角形内部,D位于AB,E位于BC,F位于CA。只画PD、PE、PF三条从P到边的线段。
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12/13
- 连接PA、PB、PC,设总面积为S。
- 由同高三角形与平行线比例,PD/BC=S(PAB)/S,PE/CA=S(PBC)/S,PF/AB=S(PCA)/S。
- 三小三角形面积之和为S,故 l/2+l/3+l/4=1,解得l=12/13。
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例题 5 · 用比例证明两点连线平行
在 △ABC 的边AB、BC、CA上分别取点M、K、L,使 MK ∥ AC,ML ∥ BC。令BL与MK交于P,AK与ML交于Q。求证:PQ ∥ AB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M在AB,K在BC,L在CA;画MK、ML、BL、AK;P=BL∩MK,Q=AK∩ML。
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PQ ∥ AB
- 令 t=BM/BA。
- 由MK ∥ AC,BP/BL=BM/BA=t,BK/BC=t。
- 由ML ∥ BC,ML/BC=AM/AB=1−t;在△ABK中,MQ/BK=AM/AB=1−t,所以 MQ/ML=t。
- 于是 LP/LB=1−t=LQ/LM。
- 在△LBM中,由三角形比例线段定理的逆定理,PQ ∥ BM,即PQ ∥ AB。
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例题 7 · 交叉线中的分点比
在△ABC中,AD与CE相交于点F,AE:EB=1:3,BD:DC=2:1,求EF:FC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E在AB,D在BC,F=AD∩CE。
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1:2
- 过D作DX ∥ AB交CE于X。
- 在△CBE中,CX/CE=CD/CB=1/3,DX/BE=1/3。
- 因BE=3AE,所以DX=AE。
- 由△FAE ∽ △FDX得FE=FX。
- 又CE=CX+XF+FE,且CX=CE/3,故FE=CE/3,FC=2CE/3,因此EF:FC=1:2。
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例题 8 · 平行四边形中的截线比
在平行四边形ABCD中,E是AB的中点,在AD上截取AF=(1/2)FD,EF交AC于点G,求AG/GC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
上边A-F-D,下边B-C,E在AB中点,G=EF∩AC。
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1/4
- 延长FE与CB的延长线交于M。
- 由AF ∥ MB、AE=EB,△AEF ∽ △BEM,得MB=AF。
- 又AF=AD/3,MC=MB+BC=AD/3+AD=4AD/3。
- 由△AGF ∽ △CGM,AG/GC=AF/MC=1/4。
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例题 9 · 中点与三等分的交点比
已知D是AC中点,E、F三等分BC,AE、AF交BD于M、N,求BM:MN:ND。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
BC上的点依次为B、E、F、C。D在AC中点,M=AE∩BD,N=AF∩BD;BD上的顺序B-M-N-D。
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5:3:2
- 过A作AG ∥ BC,与BD的延长线交于G。
- 因AD=DC,△ADG ∽ △CDB,得AG=BC、DG=DB,故BG=2BD。
- △BEM ∽ △GAM,BM/MG=BE/AG=1/3,所以BM=BG/4=BD/2。
- △BFN ∽ △GAN,BN/NG=BF/AG=2/3,所以BN=2BG/5=4BD/5。
- 于是MN=3BD/10、ND=BD/5,所求比为5:3:2。
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例题 10 · 120°角平分线的倒数关系
在△ABC中,∠BAC=120°,AD平分∠BAC,交BC于点D。求证:1/AD=1/AB+1/AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D位于BC,AD为120°顶角的内角平分线。
查看参考答案与解析
1/AD=1/AB+1/AC
- 过C作CE ∥ AD,交BA的延长线于E。
- 因∠BAD=∠DAC=60°,△ACE为等边三角形,所以AE=CE=AC。
- 由△BAD ∽ △BEC,AD/CE=AB/BE=AB/(AB+AC),故AD=AB·AC/(AB+AC)。
- 两边取倒数得1/AD=1/AB+1/AC。
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例题 12 · 中位三角形中的循环共线
在正△ABC中,D、E、F是三边中点,P、Q、R分别在EF、FD、DE上,且A、P、Q三点共线,B、Q、R三点共线,C、R、P三点共线。求PF/PE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、E、F分别是BC、CA、AB中点;P在FE,Q在FD,R在DE。画三条中位线和A-P-Q、B-Q-R、C-R-P。
查看参考答案与解析
(√5−1)/2
- 设 x=PF/PE>0。
- 由D、E、F为中点,得FD ∥ AC、DE ∥ AB、FE ∥ BC,且FD=AE、DE=BF、FE=CD。
- 由△APE ∽ △QPF,FQ/AE=PF/PE=x,故FQ/FD=x,QD/FD=1−x。
- 由△BFQ ∽ △RDQ,RD/BF=QD/FQ=(1−x)/x,因BF=DE,故RD/DE=(1−x)/x。
- 再由△CDR ∽ △PER,RD/RE=CD/PE=FE/PE=x+1,因此RD/DE=RD/(RD+RE)=(x+1)/(x+2)。
- 联立得(1−x)/x=(x+1)/(x+2),化简为x²+x−1=0。
- 因x>0,取正根x=(√5−1)/2,即PF/PE=(√5−1)/2。
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例题 13 · 60°与三等分的垂直投影
在△ABC中,∠A=60°,D、E是BC的三等分点,DF ⟂ AC,EG ⟂ AB。求证:AF=AG=CF+BG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
BC上依次B-D-E-C。图示垂足F在线段AC上、G在线段AB上,连接DF、EG并标直角。
查看参考答案与解析
AF=AG=CF+BG
- 按题图,F在AC上、G在AB上。
- 记AB=c,AC=b。
- 把B、C在AC方向的投影分别记为c/2、b(60°角的投影系数为1/2);D=(2B+C)/3,故AF=(c+b)/3。
- 同理E=(B+2C)/3,在AB方向投影得AG=(c+b)/3。
- 于是CF+BG=(b−AF)+(c−AG)=(b+c)/3=AF=AG。
- 这里的加权投影也可由过B、E作垂线,利用平行线分线段成比例推出。
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例题 1 · 平行截线交点连接中线
如图,E为△ABC边AB上一点,过E作BC的平行线交AC于F,连接BF、CE交于O,连接AO并延长交BC于D。求证:BD=CD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E、F在两腰,EF∥BC;BF、CE交于O,AO交BC于D。
查看参考答案与解析
BD=CD。
- △EBC与△FBC同底BC,且顶点E、F在平行于BC的同一直线上,故面积相等。去掉共同的△OBC,得S△EOB=S△FOC。
- 由EF∥BC,AE/EB=AF/FC,故AB/EB=AC/FC。以AB、AC上的相应线段为底比较面积,S△AOB=(AB/EB)S△EOB,S△AOC=(AC/FC)S△FOC,所以S△AOB=S△AOC。
- O在AD上,两边三角形沿同一高线AD缩放,得S△ABD=S△ACD。它们以BD、CD为底的高相同,故BD=CD。
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例题 2 · 共点线束中的中点关系
如图,D、E分别是△ABC的边BC、AB上的点,AD、CE交于F,BF、DE交于G。过G作BC的平行线分别交AB、CE、AC于M、H、N。求证:GH=NH。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD、CE交F,BF、DE交G;过G的BC平行线依次交AB、CE、AC于M、H、N。
查看参考答案与解析
GH=NH。
- 给出只使用共线与平行比的仿射坐标证明。取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(0,1)作为斜坐标基准;令D=(d,0)、E=(0,e),其中0<d,e<1。
- 由AD与CE的方程x/d+y=1、ex+y=e,得F=(d(1−e)/(1−de), e(1−d)/(1−de))。直线BF与DE相交,DE方程ex+dy=de,代入BF上的比例得G=(d(1−e)/(2−d−e), e(1−d)/(2−d−e))。
- 令G的纵坐标为g,则N=(1−g,g),H=(1−g/e,g)。因此HN=g(1/e−1)。由G的坐标计算HG=1−g/e−d(1−e)/(2−d−e)= (1−d)(1−e)/(2−d−e),而HN同样等于该式。
- 斜坐标中同一条平行于BC的直线上,横坐标差代表相同基准下的线段比,故GH=HN。
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例题 4 · 梯形中点连线与互补角
梯形ABCD中,对角线AC和腰BC相等,M是底边AB的中点,P是腰AD延长线上的点,PM交BD于N。求证:∠ACP+∠BCN=180°。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB∥CD且AC=BC;M为AB中点,A-D-P共线,PM交BD于N。
查看参考答案与解析
∠ACP+∠BCN=180°。
- 因为AC=BC且M为AB中点,所以CM⊥AB。缩放后取A=(−1,0)、B=(1,0)、C=(0,h)、M=(0,0)。由CD∥AB,D的纵坐标是h。
- 设P=(p,q),按图P在AD越过D的延长线上,故q>h。由A、D、P共线可得D=(h(p+1)/q−1,h)。联立PM与BD,得N=(hp/(2q−h),hq/(2q−h))。
- 因此向量CN=h/(2q−h)·(p,h−q),而CP=(p,q−h),正比例系数说明CN的方向正是CP关于过C且平行AB的直线的反射方向。
- 同一反射将CA的方向变为CB的反方向。因此∠ACP等于CB反向射线与CN所成的角,与∠BCN互补。
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例题 12 · 梯形两腰与交点连线共点
已知梯形ABCD中,AD∥BC,E、F分别在AB、CD上。求证:若ED∥BF,则AF∥CE。又此时若ED、AF交于M,CE、BF交于N,问三直线AB、MN、CD共点的条件。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
梯形AD∥BC;E在AB、F在CD,ED∥BF;M=ED∩AF,N=CE∩BF。图展示一般位置,不预先画成所求特殊共点情形。
查看参考答案与解析
AF∥CE;在题图的非退化内部位置下,三直线共点的充要条件为EF∥AD,或AE/EB=√(AD/BC)。共点时还可推出EF²=AD·BC。
- 设两腰所在直线相交于T。选T为原点,以两腰方向为两个斜坐标轴,并统一刻度,使A=(a,0)、B=(b,0)、D=(0,a)、C=(0,b),其中0<a<b。设E=(e,0)、F=(0,f),a<e,f<b。
- ED∥BF给出(a/ e)=(f/b),即ef=ab。AF的方向为(−a,f),CE的方向为(e,−b);因ef=ab,两向量成比例,所以AF∥CE。
- 联立直线方程,得到M=(a(b−e)/(b−a), ab(e−a)/(e(b−a))),N=(b(e−a)/(b−a), ab(b−e)/(e(b−a)))。
- AB与CD已交于T,因此所问等价于T、M、N共线。两坐标行列式为零等价于a(b−e)²=b(e−a)²;由于e在(a,b)内,化为e=√(ab),再由ef=ab得f=e。
- e=f正是EF∥AD。此时平行截线长度按径向比例变化,EF/AD=e/a,BC/AD=b/a,故EF²=AD·BC。同时AE/EB=(e−a)/(b−e)=√(a/b)=√(AD/BC)。
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例题 7 · 两组垂足的等距关系
AD、BE是锐角三角形ABC的高,D、E是垂足。D在AB、AC上的射影分别是M、N;E在BC、AB上的射影分别是P、Q。求证QN=PM。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两条高的垂足再向对应两边投影,比较QN与PM。
查看参考答案与解析
QN=PM。
- 记∠ACB=C。由AD⊥BC、DN⊥AC,得到AD=AC·sinC、AN=AD·sinC,所以AN/AC=sin²C。同理由BE⊥AC、EP⊥BC,得BP/BC=sin²C。因此AN/AC=BP/BC,NP∥AB。
- A、M、D、N共圆,所在圆以AD为直径,故∠AMN=∠ADN=C。B、Q、E、P共圆,所在圆以BE为直径,故∠BQP=∠BEP=C。
- 按锐角三角形的垂足位置,Q、M依次位于AB上;设T=MN∩PQ。由上一步,△TMQ的两个底角都为C,故TM=TQ。又NP∥MQ,△TNP与△TMQ相似,所以TN=TP。
- △TQN和△TMP有TQ=TM、TN=TP,且∠QTN=∠MTP为对顶角,故由SAS全等,得到QN=PM。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 平行截线与比例定理
D、E分别在△ABC的边AB、AC内部,若AD/AB=AE/AC,则DE∥BC。关键不只是一个数字比例,还包括两点所在的边与共同顶点。
这节学会什么
- 能解释:逆命题要补齐位置
- 能说明并应用:为什么逆命题成立
逆定理需要D、E在对应边的同向射线上,不能只检查两个无向长度。逆命题要补齐位置
D、E分别在△ABC的边AB、AC内部,若AD/AB=AE/AC,则DE∥BC。关键不只是一个数字比例,还包括两点所在的边与共同顶点。
为什么逆命题成立
过D作DE′∥BC交AC于E′。正向定理给AE′/AC=AD/AB,与已知相同,所以AE′=AE。E与E′在同一射线上,故重合,原直线DE就是所作平行线。
警惕延长线反例
若只给AD/AB=AE/AC却不指明射线,E可能在AC反向延长线上,等长不等于同点。普通正长度无法记录方向;外分情形必须说明点的次序或改用有向线段。
跟着做:把方法走一遍
示范:逆命题要补齐位置
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D∈AB,E∈AC且均为内点,AD=2、DB=4、AE=3、EC=6。DE∥BC吗?
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平行。
- AD/DB=2/4=1/2,AE/EC=3/6=1/2。
- 点位满足内部条件,可使用比例定理逆定理。
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自检:逆命题要补齐位置
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不能。
- 还要比较各自所在整边。取AB=4、AC=6且AD=AE=2,则AD/AB=1/2而AE/AC=1/3。
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可以逆用的情形
在 △ABC 中,D、E分别位于AB、AC上;若 AD/AB=AE/AC,则 DE∥BC。也可以从 AD/DB=AE/EC 化到同一形式。
可以过D先作一条平行于BC的线交AC于E′,由正向定理得到AE′/AC=AD/AB=AE/AC,再由同一边上分点的唯一性得E′=E。
讲义强调的边界
“两条直线被三条直线截得对应线段成比例,就能断言这三条直线平行”这一无附加条件的逆命题不成立。必须区分具体三角形上的分点条件与一般三条截线。
例题中的应用
例5最终在 △LBM 中得到 LP/LB=LQ/LM,再判断 PQ∥BM。例6在 △MDC 中得到 ME/MD=MF/MC,再判断 EF∥DC。
同一顶点下比例相同
例题7得到CM/CB=CN/CA后,先核对M在CB、N在CA,再推出MN∥AB。作业10对△OBC作同样检查,不能把中线中点误认为重心。
进入原讲义例题 · 3
例题 5 · 用比例证明两点连线平行
在 △ABC 的边AB、BC、CA上分别取点M、K、L,使 MK ∥ AC,ML ∥ BC。令BL与MK交于P,AK与ML交于Q。求证:PQ ∥ AB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M在AB,K在BC,L在CA;画MK、ML、BL、AK;P=BL∩MK,Q=AK∩ML。
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PQ ∥ AB
- 令 t=BM/BA。
- 由MK ∥ AC,BP/BL=BM/BA=t,BK/BC=t。
- 由ML ∥ BC,ML/BC=AM/AB=1−t;在△ABK中,MQ/BK=AM/AB=1−t,所以 MQ/ML=t。
- 于是 LP/LB=1−t=LQ/LM。
- 在△LBM中,由三角形比例线段定理的逆定理,PQ ∥ BM,即PQ ∥ AB。
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例题 6 · 底边中点与两交点连线
在梯形ABCD中,AB ∥ CD,M是AB的中点,分别连接AC、BD、MD、MC,且AC与MD交于点E,BD与MC交于点F。(1)求证EF ∥ CD;(2)若AB=a,CD=b,求EF的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、M、B依次位于上底,下底D、C。E=AC∩MD,F=BD∩MC,连接EF。
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(1)EF ∥ CD;(2)ab/(a+2b)
- 由于AM ∥ CD,△AME ∽ △CDE,ME/ED=AM/CD=a/(2b)。
- 同理由BM ∥ CD,△BMF ∽ △DCF,MF/FC=a/(2b)。
- 所以 ME/MD=MF/MC=a/(a+2b)。
- 在△MDC中,比例线段定理的逆定理给出EF ∥ DC;再由相似得EF/DC=ME/MD,故EF=ab/(a+2b)。
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例题 7 · 两条角平分线与调和关系
D、E、F分别是△ABC的边AB、BC、CA的中点,∠BDC及∠ADC的角平分线分别交BC及AC于M、N。求证:1/EF+1/DC=2/MN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、E、F为三边中点,DM和DN为两条角平分线,M在BC,N在AC。
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1/EF+1/DC=2/MN。
- 令AD=BD=u,DC=v。中位线定理给出EF=u,AB=2u。
- 在△BDC中,BM/MC=u/v;在△ADC中,AN/NC=u/v。因此CM/CB=CN/CA=v/(u+v)。
- 由比例定理逆定理,MN∥AB,且MN/AB=v/(u+v),故MN=2uv/(u+v)。整理得2/MN=(u+v)/(uv)=1/EF+1/DC。
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长期追踪
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 平行截线与比例定理
多条直线经过同一个点O,两条不经过O的平行线截这些直线。若同侧交点A、B、C对应A′、B′、C′,它们到O的长度按同一个倍数变化。
这节学会什么
- 能解释:一束射线与两条平行线
- 能说明并应用:统一倍数带动截距
一束射线与两条平行线
多条直线经过同一个点O,两条不经过O的平行线截这些直线。若同侧交点A、B、C对应A′、B′、C′,它们到O的长度按同一个倍数变化。
统一倍数带动截距
由平行截线,OA′/OA=OB′/OB=OC′/OC=k;截线上的对应线段也乘k,所以A′B′/AB=B′C′/BC=k。先对齐射线,才能对齐截距。
跨过顶点需要方向
若两平行线在O两侧,位置相反,普通长度缩放仍有共同绝对值,但点的有向坐标换号。计算线段和差时不能把两侧图当作同侧图。
跟着做:把方法走一遍
示范:一束射线与两条平行线
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OA′/OA=3,两平行截线上AB=2、BC=5,求A′B′与B′C′。
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6与15。
- 共点射线的两平行截线为同一中心缩放,对应长度均乘3。
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自检:一束射线与两条平行线
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A、B、C共线且B居中,放大2倍后A′C′/A′B′等于AC/AB吗?
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相等。
- 分子分母都乘2,比例不变。
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同侧与异侧线束
讲义图1中EF∥BC,射线按A-B、A-G、A-D、A-C排列,故EM:MN:NF=BG:GD:DC。
图2两条截线位于A两侧,按对应射线反向辨认,EQ:QN:NF=CD:MD:BM。
例题中的用法
例1先利用梯形对角线交点O把平行底EF、BC联系,再把E-F中点关系传到B-C。例2把两个交点形成的比例先传到过G的平行线上。
先写明所用的平行线和公共顶点。图上看似中点不能替代等长证明。
进入原讲义例题 · 3
例题 1 · 平行截线交点连接中线
如图,E为△ABC边AB上一点,过E作BC的平行线交AC于F,连接BF、CE交于O,连接AO并延长交BC于D。求证:BD=CD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E、F在两腰,EF∥BC;BF、CE交于O,AO交BC于D。
查看参考答案与解析
BD=CD。
- △EBC与△FBC同底BC,且顶点E、F在平行于BC的同一直线上,故面积相等。去掉共同的△OBC,得S△EOB=S△FOC。
- 由EF∥BC,AE/EB=AF/FC,故AB/EB=AC/FC。以AB、AC上的相应线段为底比较面积,S△AOB=(AB/EB)S△EOB,S△AOC=(AC/FC)S△FOC,所以S△AOB=S△AOC。
- O在AD上,两边三角形沿同一高线AD缩放,得S△ABD=S△ACD。它们以BD、CD为底的高相同,故BD=CD。
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例题 2 · 共点线束中的中点关系
如图,D、E分别是△ABC的边BC、AB上的点,AD、CE交于F,BF、DE交于G。过G作BC的平行线分别交AB、CE、AC于M、H、N。求证:GH=NH。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD、CE交F,BF、DE交G;过G的BC平行线依次交AB、CE、AC于M、H、N。
查看参考答案与解析
GH=NH。
- 给出只使用共线与平行比的仿射坐标证明。取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(0,1)作为斜坐标基准;令D=(d,0)、E=(0,e),其中0<d,e<1。
- 由AD与CE的方程x/d+y=1、ex+y=e,得F=(d(1−e)/(1−de), e(1−d)/(1−de))。直线BF与DE相交,DE方程ex+dy=de,代入BF上的比例得G=(d(1−e)/(2−d−e), e(1−d)/(2−d−e))。
- 令G的纵坐标为g,则N=(1−g,g),H=(1−g/e,g)。因此HN=g(1/e−1)。由G的坐标计算HG=1−g/e−d(1−e)/(2−d−e)= (1−d)(1−e)/(2−d−e),而HN同样等于该式。
- 斜坐标中同一条平行于BC的直线上,横坐标差代表相同基准下的线段比,故GH=HN。
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例题 10 · 两条中线方向的平行截线
在△ABC中,E、F分别是AC、AB的中点,D为BC上任意一点,DP∥CF,DQ∥BE,PQ与BE、CF分别交于R、S。求证:RS=(1/3)PQ。
原题勘误与整理备注原文:仅写DP∥CF、DQ∥BE;整理:补明P在AB、Q在AC,D取BC内部。依据:原题图;端点会使交线重合。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在AB、Q在AC;DP∥CF、DQ∥BE,PQ依次交BE、CF于R、S。
查看参考答案与解析
RS=(1/3)PQ,且PR=RS=SQ。
- 按图P在AB、Q在AC。取B=0,A=a,C=c为向量表示,令D=tc,0<t<1。E=(a+c)/2,F=a/2。
- 由DP∥CF且P在AB,可得P=ta/2;由DQ∥BE且Q在AC,可得Q=((1−t)a+(1+t)c)/2。
- 计算P+(Q−P)/3=(1+t)(a+c)/6,该点在BE上,故为R。计算P+2(Q−P)/3=((2−t)a+2(1+t)c)/6,其a系数是(1−c系数)/2,故该点在CF上,为S。
- 因此R、S在PQ上分别位于1/3和2/3处,RS=PQ/3。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 相似:判定与应用 → 定义与判定
同一张三角形图片等比例放大,角度不变,所有边乘同一个正数k。这就是相似的直观含义;大小可以不同,所以相似不等于全等。
这节学会什么
- 能解释:先想放大图像
- 能说明并应用:定义同时包含角与边
先想放大图像
同一张三角形图片等比例放大,角度不变,所有边乘同一个正数k。这就是相似的直观含义;大小可以不同,所以相似不等于全等。
定义同时包含角与边
△ABC∽△DEF表示对应角A↔D、B↔E、C↔F相等,对应边AB/DE=BC/EF=CA/FD。写顶点顺序也是声明对应,旋转或翻折图形不会改变相似。
同一三角形里的比也能搬运
AB/DE=AC/DF可交叉整理为AB/AC=DE/DF。前者比较两三角形之间的边,后者比较各自内部的两边。先定对应,再选择对解题有用的比。
跟着做:把方法走一遍
示范:先想放大图像
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△ABC三边3、4、5,△DEF对应边6、8、10,相似比ABC:DEF是多少?
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1:2。
- 对应边之比分别3/6、4/8、5/10,都为1/2。
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自检:先想放大图像
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相似三角形中AB对应DE、AC对应DF,那么∠A对应哪个角?
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∠D。
- 这两条对应边共同夹的顶点分别是A与D。
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内容与使用条件
相似比是第一三角形对应边除以第二三角形对应边。
列比例前先列对应角与对应边,不能只按图形外观匹配。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 相似:判定与应用 → 定义与判定
AA:两角对应相等;SAS:两边对应成比例且夹角相等;SSS:三边对应成比例。这些判定能推出定义要求的全部对应关系。SAS中的夹角不能换成非夹角。
这节学会什么
- 能解释:不必逐条验证六个条件
- 能说明并应用:为何AA能够决定形状
不必逐条验证六个条件
AA:两角对应相等;SAS:两边对应成比例且夹角相等;SSS:三边对应成比例。这些判定能推出定义要求的全部对应关系。SAS中的夹角不能换成非夹角。
为何AA能够决定形状
把其中一个三角形沿一边按比例缩放,使一边与另一个相等。缩放可用平行截线构造,保持对应角;再由两角及夹边全等得缩放后的两个三角形全等,从而原来相似。
找角的路径
平行线给内错角/同位角,对顶角天然相等,公共角直接共用。先写出两组角及理由,再按角顺序写相似三角形名称,最后列边比。
跟着做:把方法走一遍
示范:不必逐条验证六个条件
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△ABC中D∈AB、E∈AC且DE∥BC,说明△ADE∽△ABC。
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AA判定相似。
- ∠DAE=∠BAC为公共角。
- ∠ADE=∠ABC为平行线同位角,故A↔A、D↔B、E↔C。
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自检:不必逐条验证六个条件
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两三角形两边比都为2,但所给相等角不是夹角,必相似吗?
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不一定。
- SSA不是一般相似判定,可能形成不同形状。
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内容与使用条件
AA:两角对应相等。
SAS:两边对应成比例且夹角相等;非夹角一般不足。
SSS:三边对应成比例。
直角三角形斜边与一条直角边对应成比例,也可由勾股定理得到第三边比。
进入原讲义例题 · 14
例题 1 · 角平分线长度的两个恒等式
在△ABC中,AD是角平分线。求证:(1)AD²=(AB+BD)(AC−CD);(2)AD²=AB·AC−BD·CD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC上,AD平分∠BAC;连接三角形三边与角平分线AD。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 记AB=c,AC=b,BD=m,CD=n,AD=d。角平分线定理给m/n=c/b,即bm=cn。
- 由斯图尔特定理b²m+c²n=(m+n)(d²+mn),代入m/n=c/b得d²=bc−mn。
- (c+m)(b−n)=bc−mn+bm−cn=bc−mn=d²。
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例题 2 · 边长平方关系与倍角
在△ABC中,∠A+∠C=2∠B,且BC²−AB²=AB·AC,求∠A。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC满足∠A+∠C=2∠B及BC²−AB²=AB·AC,图中不标待求角的数值。
查看参考答案与解析
∠A=80°。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,原条件为a²=c(b+c)。作A的内角平分线AD,D在BC上。由角平分线定理,BD=ac/(b+c)、CD=ab/(b+c)。
- 由紧前例1的角平分线长度公式,AD²=bc−BD·CD=bc−a²bc/(b+c)²=b²c/(b+c)=CD²。故AD=CD,∠CAD=∠ACD=C,得到A=2C。
- 另A+C=2B与内角和给B=60°,所以A+C=120°、A=2C,解得A=80°。
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例题 3 · 角度一比二比四的边长关系
在△ABC中,∠A:∠B:∠C=1:2:4。求证:1/AB+1/AC=1/BC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC的三个角依次满足∠A:∠B:∠C=1:2:4。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 记∠A=θ、∠B=2θ、∠C=4θ,a=BC、b=CA、c=AB。作B角平分线交AC于D,则△ABD等腰,AD=BD;△BCD∽△ABC,得BD=a²/b、CD=ac/b,因此b²=a(a+c)。
- 作C角平分线交AB于E,则△BCE等腰,BE=CE;△ACE∽△ABC,得AE=ab/c、CE=b²/c,因此c²=b(a+b)。
- 计算(a+b)[bc−a(b+c)]=c(b²−a²)−ab(a+b)=a[c²−b²−ab]=0。
- 因a+b>0,得bc=a(b+c),除以abc即1/c+1/b=1/a。
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例题 4 · 四边形对边乘积与对角线
在四边形ABCD中,求证:AB·CD+AD·BC≥AC·BD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
凸四边形ABCD及对角线AC、BD。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 作△ABX∽△ACD,使∠BAX=∠CAD、AX/AD=AB/AC,取旋转方向使∠XAD=∠BAC。
- 于是BX=AB·CD/AC,且△AXD∽△ABC,故XD=AD·BC/AC。由BD≤BX+XD,乘AC即得所证。
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例题 9 · 垂线射线上构造等距点
P为Rt△ABC斜边上一点,Q为PC中点,PR⊥BC,H是AR中点,射线HN⊥AB。求证:在射线HN上存在一点G,使AG=CQ、BG=BQ。
原题勘误与整理备注原题:PR⊥BC未用文字说明R的位置;整理为:按原图R=AB∩过P的BC垂线,且R在线段AB上;依据:原图给出的点线关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A为直角,P、Q在BC上,PR⊥BC、H为AR中点、HN⊥AB。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 按原图,R为过P作BC垂线与线段AB的交点。以A为圆心、CQ为半径作圆,与射线HN相交于G。下面证明交点存在且满足要求。
- 由Rt△BPR∽Rt△BAC,BR·BA=BP·BC。记BA=c、BC=a、BP=p,则AR=c−ap/c,而2CQ=a−p。因a≥c,a−p−AR=(a−c)(1+p/c)≥0,故AH=AR/2≤CQ;射线HN垂直AB且从圆内或圆上出发,必与圆相交。
- H为AR中点,HG⊥AR,故GA=GR=CQ。由G在AR的垂直平分线上,沿AB作投影可得BG²−AG²=BA·BR=ap。
- 所以BG²=ap+(a−p)²/4=(a+p)²/4=BQ²,故BG=BQ。
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例题 12 · 中点垂线与等角条件
在△ABC中,∠A=90°,M是AB中点,MD⊥BC于D。P在△ABC内,∠PAC=∠PBC,PB交MD于Q。求证AQ⊥CP。
原题勘误与整理备注原题:“M是AB重点”;整理为:“M是AB中点”;依据:原图与唯一合理的几何语义,属于笔误修正。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M为AB中点,MD⊥BC;P满足所给角条件,Q=PB∩MD。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 为给出可逐步核验的证明,取A=(0,0)、B=(2,0)、C=(0,c),c>0,M=(1,0)。因MQ⊥BC,可写Q=(1+ct,2t)。又B、Q、P共线,写P=(2+s(ct−1),2st)。
- 记P=(x,y)。按原图的角度方向,tan∠PAC=x/y,tan∠PBC=[c−t(c²+4)]/2。由两角相等,代入x、y得2=s[1−t²(c²+4)]。
- 向量AQ=(1+ct,2t),CP=(x,y−c)。点积AQ·CP=2+s[t²(c²+4)−1]=0,因此AQ⊥CP。
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例题 1 · 两个直角子三角形内心的连线
设直角三角形ABC中,∠A=90°,AD是斜边BC上的高;△ABD、△ACD的内心分别是S、T。延长ST交两直角边于M、N。证明S△AMN≤(1/2)S△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
S、T为两个直角子三角形内心,ST交AB、AC于M、N。
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命题成立,证明如下。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),记h=√(b²+c²)、K=b+c+h。垂足D=(bc²/h²,b²c/h²)。
- 由内心坐标公式(按对边长加权),S=(bc(h+c)/(hK),b²c/(hK)),T=(bc²/(hK),bc(h+b)/(hK))。
- 两点坐标之和都为bc/h,因此ST的方程是x+y=bc/h,M=(bc/h,0)、N=(0,bc/h)。
- 所以[AMN]/[ABC]=(bc/h)²/(bc)=bc/(b²+c²)≤1/2,最后一步来自(b−c)²≥0。等号当且仅当AB=AC。
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例题 2 · 梯形等角点到交点的距离
在梯形ABCD中,AB∥CD,对角线交点O。P、Q分别是边AD、BC上的点,使∠APB=∠CPD,∠AQB=∠CQD。求证OP=OQ。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
梯形AB∥CD,P、Q位于两腰,按题设角条件选取。
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命题成立,证明如下。
- 设AB=m、CD=n,取A=(0,h)、B=(m,h)、D=(d,0)、C=(d+n,0)。由对角线分比,O=(m(d+n)/(m+n),hn/(m+n))。
- 在△APB与△DPC中用正弦定理,因∠APB=∠CPD且A、D处角的正弦相等,得到PB/PC=m/n。令P=A+t(D−A),代入距离比可因式分解为[(m−n)t−m]·[(m+n)(d²+h²)t−m(d²+2dn+h²)]=0。
- P在边AD内,所以t=m/(m−n)这一分支不可能;代入另一分支t=m(d²+2dn+h²)/[(m+n)(d²+h²)],得OP²=m²n²/(m+n)²。
- 同理由∠AQB=∠CQD可得QA/QD=m/n,交换左右两腰重复同一计算,得到OQ²=m²n²/(m+n)²。故OP=OQ=mn/(m+n)。当m=n时第一因子为非零常数,计算仍有效。
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例题 4 · 等边三角形中的垂足角
D为等边△ABC的边BC上一点,BD=1、CD=2,CH⊥AD于H,连接BH。试证∠BHD=60°。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
等边三角形BC=3,BD=1、DC=2,CH⊥AD。
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命题成立,证明如下。
- 取B=(0,0)、C=(3,0),则A=(3/2,3√3/2)、D=(1,0)。将C正交投影到AD,得到H=(15/14,3√3/14)。
- 于是HB²=9/7、HD²=1/7,向量HB·HD=3/14。故cos∠BHD=(3/14)/[(3/√7)(1/√7)]=1/2,即∠BHD=60°。
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例题 5 · 黄金三角形的三个代数式
等腰△ABC的顶角∠A=108°,BC=m,AB=AC=n。x=(m+n)/(m−n),y=(m+n)²/(mn),z=m³/n³,比较x、y、z。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
等腰△ABC的顶角A为108°,底BC标m,两腰AB、AC标n。
查看参考答案与解析
x=y=z=2+√5。
- 由等腰三角形底角为36°,m/n=2cos36°=φ=(1+√5)/2,满足φ²=φ+1。
- x=(φ+1)/(φ−1)=φ³;y=(φ+1)²/φ=φ³;z=φ³,故x=y=z。
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例题 7 · 两种内接正方形的面积
在Rt△ABC中,有两种作内接正方形的方法,面积分别为441、440(第一种两边分别位于直角边,第二种一边位于斜边)。求AB的长度。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两种正方形内接方式示意图(不按数值比例绘制),分别标注原题面积441和440。
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AB=42√110。
- 设两直角边为u、v,斜边c,p=u+v、q=uv。第一种正方形边长s由相似得s=q/p=21,故q=21p。
- 斜边上的高为q/c。第二种正方形边长t由相似得t=c(q/c)/(c+q/c)=cq/(c²+q)=√440。用c²=p²−2q,化为t=21c/(p−21)。
- 令w=p−21,则c²=w²−441,而t²=440给440w²/441=w²−441。因此w²=441²,w>0得w=441。
- 故c=21√440=42√110。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 边长比与内点的三个角
在△ABC中,∠BAC=60°、∠ACB=45°。(1)求AB:BC:CA;(2)P是△ABC内一点,PA=√6+√2,PB=3√2+√6,PC=3√2+2√6。求∠APB、∠BPC、∠CPA。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A=60°、∠C=45°,P为符合给定三距离的内部点;图不标待求角。
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(1)2√2:2√3:(√6+√2);(2)∠APB=120°、∠BPC=90°、∠CPA=150°。
- (1)∠B=75°,正弦定理给AB:BC:CA=sin45°:sin60°:sin75°=2√2:2√3:(√6+√2)。
- (2)记AB=√2t、BC=√3t、CA=(√6+√2)t/2,z=t²。取A=(0,0)、B=(AB,0)、C=(CA/2,√3CA/2),P=(x,y)。由两两距离平方相减,x=[AB²+PA²−PB²]/(2AB),y={ [CA²+PA²−PC²]/CA−x }/√3。
- 将给定PA、PB、PC代入x²+y²=PA²,整理为[z−(22+12√3)][z−(4+2√3)]=0。后一根给x<0、y<0,不符合P在△ABC内部;所以z=22+12√3。
- 分别在△APB、△BPC、△CPA用余弦定理,得到cos∠APB=−1/2、cos∠BPC=0、cos∠CPA=−√3/2。故三个角依次为120°、90°、150°,且和为360°。
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例题 2 · 平方比例推出相似角
△ABC的BC边上有一点P,AP²/AC²=BP/BC。求证∠BAP=∠C。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P位于BC内部,按给定平方比例构造。
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命题成立,证明如下。
- 记BC=a、AB=c、AC=b、BP=x,按原图0<x<a。由余弦定理或坐标展开,AP²=c²+x(b²−c²−a²)/a+x²。
- 题设AP²=b²x/a,代入整理为(a−x)(c²/a−x)=0。因x<a,得到x=c²/a。
- 所以BA/BC=BP/BA=c/a,且∠ABP=∠CBA。由SAS,△BAP∽△BCA,因此∠BAP=∠BCA。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 两组垂足的等距关系
AD、BE是锐角三角形ABC的高,D、E是垂足。D在AB、AC上的射影分别是M、N;E在BC、AB上的射影分别是P、Q。求证QN=PM。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两条高的垂足再向对应两边投影,比较QN与PM。
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QN=PM。
- 记∠ACB=C。由AD⊥BC、DN⊥AC,得到AD=AC·sinC、AN=AD·sinC,所以AN/AC=sin²C。同理由BE⊥AC、EP⊥BC,得BP/BC=sin²C。因此AN/AC=BP/BC,NP∥AB。
- A、M、D、N共圆,所在圆以AD为直径,故∠AMN=∠ADN=C。B、Q、E、P共圆,所在圆以BE为直径,故∠BQP=∠BEP=C。
- 按锐角三角形的垂足位置,Q、M依次位于AB上;设T=MN∩PQ。由上一步,△TMQ的两个底角都为C,故TM=TQ。又NP∥MQ,△TNP与△TMQ相似,所以TN=TP。
- △TQN和△TMP有TQ=TM、TN=TP,且∠QTN=∠MTP为对顶角,故由SAS全等,得到QN=PM。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 相似:判定与应用 → 相似比与度量关系
相似比k指同一方向的对应边比。对应高、中线、角平分线也乘k,因为这些线与边角组成的小三角形仍保持对应。周长为对应边之和,也乘k。
这节学会什么
- 能解释:所有对应长度一起缩放
- 能说明并应用:面积为什么平方
所有对应长度一起缩放
相似比k指同一方向的对应边比。对应高、中线、角平分线也乘k,因为这些线与边角组成的小三角形仍保持对应。周长为对应边之和,也乘k。
面积为什么平方
面积=底×高/2,底与高各乘k,因此面积乘k²。不能把周长比直接当面积比。反过来面积比9:16对应长度比3:4,取正平方根。
先确保对应区域相似
同底、同高的任意两个三角形可以面积成比例,却未必相似。面积比本身也不能倒推出相似;必须先有相似判定才使用平方律。
跟着做:把方法走一遍
示范:所有对应长度一起缩放
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两相似三角形边比2:3,小三角形面积8,大三角形面积是多少?
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18。
- 面积比4:9,故大面积8×9/4=18。
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5:6。
- 长度比为面积比正平方根,周长同长度比。
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内容与使用条件
面积数据常先开平方,转成边长比。
梯形对角线交点形成的一对相似三角形,其面积平方根可连接整梯形面积。
进入原讲义例题 · 3
例题 5 · 子三角形周长比的上界
在△ABC中,D、E分别是BC、AB上一点,且∠1=∠2=∠3(图中∠1=EBD、∠2=DAC、∠3=EDA)。若△ABC、△EBD、△ADC的周长依次为m、m₁、m₂,求证:(m₁+m₂)/m≤5/4。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC上、E在AB上;∠EBD=∠DAC=∠EDA。
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命题成立,证明如下。
- 由∠DAC=∠B且C角公共,△ADC∽△BAC。设y=AC/BC,则ADC与ABC周长比为y,且DC/BC=y²。
- 图中∠BDE=∠BDA−∠EDA=(180°−∠A)−∠B=∠C,所以△EBD∽△ABC,其周长比为BD/BC=1−y²。
- 因此(m₁+m₂)/m=1−y²+y=5/4−(y−1/2)²≤5/4。
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例题 6 · 梯形分割面积与边长比例
如图,在△ABC中,∠BAC=2∠B,AD平分∠BAC,DE∥AC。求证:((√S₁+√S₂)/√S₃)²+1=(b/c+1)²。
原题勘误与整理备注原题:b、c未定义;整理为:b=AC、c=AB;依据:独立推导能使原等式成立,属于推断补注,非原书确认。
原题:AD与EC交点标成B,与顶点B重复;整理为:内交点记O;依据:为消除重名而作的编辑命名。
原题:图中DE与AC视觉上不平行;整理为:依印刷条件DE∥AC重绘;依据:题干明确的平行关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
DE∥AC,AD平分∠A;O=AD∩EC。S₁在AOC,S₂在EOD,S₃在BED。
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命题成立,证明如下。
- 按编辑解释,以O表示AD与EC的交点,S₁=[AOC]、S₂=[EOD]、S₃=[BED],b=AC、c=AB。因DE∥AC,△AOC∽△DOE,故AO/OD=AC/DE=√(S₁/S₂)。
- 梯形ACDE中,[AOE]=[COD]=√(S₁S₂),所以[ACDE]=(√S₁+√S₂)²。原式左边=[ABC]/[BED]。
- △BDE∽△BCA,故此比=(BC/BD)²。角平分线定理CD/BD=AC/AB,因此BC/BD=1+AC/AB。
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例题 7 · 等面积条件与黄金比
在图中,S△COE=S△DOF,AF/FD=(√5+1)/2。(1)求证CO/OF=AF/FD;(2)求S△AEF/S△EOF。
原题勘误与整理备注原题:“在中”;整理为:“在图中”;依据:用户确认。
原题:S△CDE=S△DOF;整理为:S△COE=S△DOF;依据:用户明确确认。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、F、D、B依次共线,E在AC上,O=DE∩CF;按获确认的面积条件构造EF∥CD。
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(1)CO/OF=φ=(1+√5)/2;(2)S△AEF/S△EOF=2+√5。
- 记φ=(1+√5)/2,则AF/FD=φ。由[COE]=[DOF],两边加[EOF]得[CEF]=[DEF];共底EF,两顶点C、D在EF同侧且等高,故CD∥EF。
- △AFE∽△ADC,AD/AF=1+FD/AF=1+1/φ=φ。又△CO D∽△FO E,CO/OF=CD/EF=AD/AF=φ,证明第(1)问。
- 取AF为1,则AD=φ;由相似AE/AC=1/φ,且FO/FC=1/(φ+1)=1/φ²。比较共底EF的△AEF、△EOF,高之比等于A、O到直线EF的距离之比。O在FC上,F在EF上,故O的高=(FO/FC)×C到EF的高。
- A、C到EF的高之比=AE/EC=(1/φ)/(1−1/φ)=φ。因此[AEF]/[EOF]=φ×φ²=φ³=2+√5。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 相似:判定与应用 → 相似比与度量关系
动点在线段内部,可写P=A+t(B−A),0<t<1。在线段上则0≤t≤1。边界是否允许决定候选最值能不能取到。
这节学会什么
- 能解释:先把图形范围翻译成参数范围
- 能说明并应用:长度比尽量先平方
先把图形范围翻译成参数范围
动点在线段内部,可写P=A+t(B−A),0<t<1。在线段上则0≤t≤1。边界是否允许决定候选最值能不能取到。
长度比尽量先平方
若分子分母均为正长度,比较AP/BP可等价比较平方比,避免根式。用正交坐标表达长度平方后,常得到二次式的比,再用配方或恒等变形估计。
等号要还原成图形
代数给出t=t₀后,说明P的位置,检查是否与顶点重合、是否使三角形退化。若被排除,就只能给界及趋近方向,不能把退化图当最大值例。
跟着做:把方法走一遍
示范:先把图形范围翻译成参数范围
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P在AB内部,AB=10。令AP=x,求AP·PB最大值及P位置。
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25,P为中点。
- 0<x<10,乘积x(10−x)=25−(x−5)²。
- x=5允许,最大25。
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自检:先把图形范围翻译成参数范围
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没有,1只是上确界。
- AP<AB且可无限接近AB,但P不能等于B。
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方法与适用条件
在两条边上设分点比x、y,仿射坐标可把交点面积比化为有理式;边内分点须保留0<x,y<1。
遇到xy与x+y共同出现时,可令p=xy,并用x+y≥2√p得到必要范围。求出代数界后,必须回代构造满足全部原条件的分点,验证等号能够取得。
进入原讲义例题 · 1
例题 1 · 交叉线面积约束下的最大比值
如图,E、D分别在AB、AC上,BD与CE交于O。若S△OBC=(9/16)S四边形BCDE,求S△ODE/S△ABC的最大值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E在AB、D在AC,O=BD∩CE;面积关系按题干,不把DE∥BC当已知。
查看参考答案与解析
最大值为1/18;当AE/AB=AD/AC=1/3时取得。
- 按图E在AB上、D在AC上,BD与CE交于O。令x=AE/AB、y=AD/AC,0<x,y<1。以A为原点、AB和AC为基向量,用仿射坐标表示B=(1,0)、C=(0,1)、E=(x,0)、D=(0,y)。仿射坐标可用于计算面积比。
- 解BD与CE的交点,得O=(x(1−y)/(1−xy), y(1−x)/(1−xy))。用行列式求面积比,得到S△OBC/S△ABC=(1−x)(1−y)/(1−xy),S△ODE/S△ABC=xy(1−x)(1−y)/(1−xy)。四边形BCDE的面积比为1−xy。
- 设p=xy。由已知面积关系,(1−x)(1−y)=9(1−p)²/16。又x+y≥2√p,故(1−x)(1−y)≤(1−√p)²。两边开平方并约去正数1−√p,得到3(1+√p)/4≤1,即p≤1/9。
- 所求面积比为9p(1−p)/16,在0<p≤1/9内随p增大而增大,因此最大为(9/16)·(1/9)·(8/9)=1/18。取x=y=1/3时满足原条件,故最大值可以取得。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 相似:判定与应用 → 辅助构造与旋转
绕O把每点转同一个角,点到O的距离不变,线段长度和角度也不变,因此旋转前后全等。再统一放大k倍,得到旋转相似。
这节学会什么
- 能解释:旋转保持什么
- 能说明并应用:为什么作等边或正方形有用
旋转保持什么
绕O把每点转同一个角,点到O的距离不变,线段长度和角度也不变,因此旋转前后全等。再统一放大k倍,得到旋转相似。
为什么作等边或正方形有用
等边提供60°旋转,正方形提供90°旋转。若OA=OB且∠AOB固定,把A转到B的同一次旋转也作用于其他点,常把分散的线段搬到一起。必须统一顺/逆时针方向。
写证明而非只看图
定义哪个点被转到哪个新点,列旋转保持的边和角,再用全等/相似连接目标。两处局部形状同为正方形,不代表两次旋转方向自动一致,内外作方向会影响结论。
跟着做:把方法走一遍
示范:旋转保持什么
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O=(0,0),A=(2,1),把A逆时针旋转90°,求A′。
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(−1,2)。
- 90°逆时针把横向单位向量转为纵向、纵向转为负横向。
- 坐标规则(x,y)→(−y,x),长度平方仍为5。
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自检:旋转保持什么
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(1,−2)。
- 顺时针规则(x,y)→(y,−x),与逆时针结果不同。
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方法与使用条件
外作等边三角形提供60°旋转;先证明一对夹边成比例和夹角相等,再获得新边比。
复数乘以i可作为90°旋转的补充核验工具;其几何意义是长度不变且转角90°。
进入原讲义例题 · 6
例题 10 · 等边三角形相交的边长平方和
如图,△PQR和△P′Q′R′是两个全等的等边三角形。六边形ABCDEF的边长分别为AB=a₁、BC=b₁、CD=a₂、DE=b₂、EF=a₃、FA=b₃。求证a₁²+a₂²+a₃²=b₁²+b₂²+b₃²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两全等等边三角形相交成六边形ABCDEF;对应边标记见题干。
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命题成立,证明如下。
- 两等边三角形除去共同六边形后,各剩三个角部三角形。这六个小三角形的顶角均为60°,另两角分别由两组原边夹角确定,因此六个三角形相似。
- 按原图,各小三角形在六边形边界上的底边依次为a₁、b₁、a₂、b₂、a₃、b₃。相似三角形面积与对应底边平方成比例,设共同系数为K>0。
- 原两大三角形全等、面积相等,减去共同六边形后仍相等,所以K(a₁²+a₂²+a₃²)=K(b₁²+b₂²+b₃²),约去K即得所证。
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例题 11 · 两组相似关系连接线段比
已知△ABC内有一点Y,BC上有一点P;X、Z在△ABC外且△AXB∽△CYP、△ACZ∽△BPY。求证XY/YZ=BP/PC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
Y在三角形内,P在BC上;按两组相似对应构造外侧X、Z。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 用复平面表示图形,令P=0,B=−b,C=c(b=BP>0,c=PC>0),A=a、Y=y。按图示相似对应,两组相似均为同向相似。
- 由△AXB∽△CYP,(X−a)/(−b−a)=(y−c)/(−c),故X=−b+(a+b)y/c。
- 由△ACZ∽△BPY,(Z−a)/(c−a)=(y+b)/b,故Z=c+(c−a)y/b。
- 所以Z−y=−(c/b)(X−y),取模得YZ=(c/b)XY,即XY/YZ=b/c=BP/PC。
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例题 9 · 固定角外作三角形的旋转
△ABC外作△BPC、△CQA、△ARB,使∠PBC=∠CAQ=45°,∠BCP=∠QCA=30°,∠ABR=∠BAR=15°。证明△PQR是等腰直角三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
按45°、30°和15°底角在三角形外侧构造P、Q、R。
查看参考答案与解析
RP=RQ,∠PRQ=90°。
- 可把两个外作三角形理解为固定角度的旋转与缩放。以下用复数写出旋转,逐项检验目标。相似变换归一化B=0、C=1、A=z(z在上半平面)。记k=(√3−1)/2、e=(2−√3)/2。
- 根据底角45°、30°,外侧顶点P=k(1−i);根据底角30°、45°,Q=1+(1−k−ik)(z−1);根据两底角15°,R=(1/2+ie)z。
- 代入k、e后直接整理得到Q−R=i(P−R)。乘i表示逆时针旋转90°且不改变长度,所以RQ=RP且RQ⊥RP。故△PQR是以R为直角顶点的等腰直角三角形。
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例题 7 · 外作等边三角形中心的等角关系
已知△ABC,向外作正三角形ACE和正三角形BCF,O₁与O₂依次是它们的中心,D是AB中点。求证∠EDO₁=∠FDO₂。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在AC、BC外侧作等边三角形,O₁、O₂为中心,D为AB中点。
查看参考答案与解析
∠EDO₁=∠FDO₂。
- 用复数表示平面点,令C=0、A=a、B=b,取△ABC为逆时针方向,设w=(1+i√3)/2;乘w或其共轭分别表示逆时针或顺时针旋转60°。
- 由外作正三角形条件,E=w̄a、F=wb;两正三角形的中心为O₁=(1+w̄)a/3、O₂=(1+w)b/3,AB中点D=(a+b)/2。
- 代入w并整理,得到F−D=−i√3(O₁−D),O₂−D=−i(E−D)/√3。
- 这说明把射线DO₁、DE同时顺时针旋转90°,分别得到DF、DO₂的方向;正的伸缩不改变夹角。所以∠FDO₂等于DO₁与DE的夹角,也就是∠EDO₁。镜像放置同理。
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例题 8 · 等边外作与四分点构造
已知△ABC,向外作正三角形△ABD与△ACF;P、Q分别是AD、CF的中点,R是BC上一点,BR=3CR。求△PQR的三个内角。
原题勘误与整理备注原题:向外作正三角形△ABD与△ACE。修正:向外作正三角形△ABD与△ACF。依据:用户确认;与后文Q为CF中点及原图F标记相符。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
向△ABC外侧作正三角形ABD、ACF;P为AD中点、Q为CF中点,R在BC上且BR=3CR。蓝线围成待求角的△PQR,图中不预标答案。
查看参考答案与解析
∠P=30°,∠Q=60°,∠R=90°。
- 用复数表示平面上的点,令B=0、C=4、A=z(A在实轴上方)。由于BR=3CR,R=3。令w=(1+i√3)/2,乘w表示逆时针旋转60°,乘其共轭表示顺时针旋转60°。
- 由两正三角形位于△ABC外侧,D=z−w̄z,F=z+w(4−z)。由中点条件,P=(2−w̄)z/2,Q=((1−w)z+4+4w)/2。
- 代入w并整理,得到Q−R=−i(P−R)/√3。因此RP⊥RQ,且RQ/RP=1/√3。P≠R:若P=3,则z=3−i√3,与A在实轴上方矛盾。
- 所以△PQR为直角三角形,∠R=90°;tan∠P=RQ/RP=1/√3,故∠P=30°、∠Q=60°。镜像放置不改变三个角的大小。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 9 · 六十度菱形中的外延交点角
菱形ABCD中∠A=60°,E在AD上;CE与BA延长后交于F,BE延长后与FD交于M。求∠DMB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A=60°的菱形,E在AD,F=CE∩BA延长线,M=BE∩FD。
查看参考答案与解析
∠DMB=60°。
- 把菱形边长归一化为1,用复数取A=0、B=1、D=w=(1+i√3)/2、C=1+w。设E=tw,0<t<1。
- 联立CE与实轴BA,得F=−t/(1−t)。从而向量FD=w+t/(1−t),BE=tw−1。因w²=w−1,有(1−t)FD=−w·BE。
- 因此从射线MB(与BE方向相反)旋转60°恰得射线MD的方向,故∠DMB=60°。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 应用模型:分比与截线
遇到多条相交线,先把互不重叠的小区域记作S₁、S₂等。每一次面积比都标明同底还是同高;共享一条边但高度不同并不代表面积相等。
先认同高,再按不重叠区域相加。先为面积取名
遇到多条相交线,先把互不重叠的小区域记作S₁、S₂等。每一次面积比都标明同底还是同高;共享一条边但高度不同并不代表面积相等。
从局部走到整体
若两小三角形同高且底比2:3,它们面积可记2t、3t。把包含这些区域的大三角形写成和,再代入另一个面积比。共用同一块区域能把不同的比连接起来。
何时比坐标更短
题目只问比例、共点且图中有多组共底/共高时,面积消去了不必要的角与长度。若交点在外部,区域关系改成差;先明确大区域是否真的由小区域拼成。
跟着做:把方法走一遍
示范:先为面积取名
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
D在BC上,BD:DC=2:3;E在AD上,AE:ED=1:1。求△BDE占△ABC面积的比例。
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1/5。
- △ABD占总面积2/5。
- △BDE和△BAD对AD同高,DE/DA=1/2,故再乘1/2得1/5。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:先为面积取名
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
同一三角形内点P到三条边的距离相等,三个小三角形面积一定相等吗?
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不一定;面积比等于三条边长之比。
- 高度相等,底不一定相等,面积随底成比例。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
在习题库中打开本题继续提高:讲义中的相关关系与方法
把局部比例变成一个整体
连接三角形内部点P与三个顶点,得到三块不重叠的小三角形,它们的面积之和等于原三角形面积。
同底三角形的面积比等于对应高的比;平行截线的长度比也可转成对应高的比,因此线段比可与面积比相连。
全截线与单侧线段要区分
例2三条线均过P,且每条线段连接两边。每一项等于 1 减去相应小三角形面积比,三项之和为 2。
例4每条线段只从P连到一条边,每一项对应一块小三角形的面积比,三项之和为 1。不能仅因“过内部一点、作三条平行线”就认定两个题使用同一总和。
等长条件的使用
例4令三条单侧线段的共同长度为 l,代入 l/2+l/3+l/4=1,再解 l。先确认比值和代表什么,再代入等长条件。
分割再相加
例3先求EF:FC,把整三角形拆成三个外部小三角形与目标四边形;例4将面积比写为两个分点比的乘积。
例6用B-M-N共线写S△BCN=S△BCM+S△CMN,不能丢掉这项图示关系。
进入原讲义例题 · 7
例题 2 · 内部一点的三条全截线
过 △ABC 内任一点 P,作 DE ∥ BC,HK ∥ AB,GF ∥ AC,求 DE/BC + FG/CA + KH/AB 的值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、G在AB上,H、E在AC上,K、F在BC上;DE、HK、GF都经过P。图示边上顺序为A-G-D-B、A-H-E-C、B-K-F-C。
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2
- 记 △ABC 面积为 S。
- 由平行线相似与对应高之比,DE/BC=1−S(PBC)/S;FG/CA=1−S(PCA)/S;KH/AB=1−S(PAB)/S。
- P在内部,三个小三角形面积之和为S,因此所求和为3−1=2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 · 三条等长单侧线段
在 △ABC 中,BC=2,CA=3,AB=4。P是 △ABC 内一点,D、E、F分别在AB、BC、CA上,且 PD ∥ BC,PE ∥ AC,PF ∥ AB。若 PD=PE=PF=l,求l的值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在三角形内部,D位于AB,E位于BC,F位于CA。只画PD、PE、PF三条从P到边的线段。
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12/13
- 连接PA、PB、PC,设总面积为S。
- 由同高三角形与平行线比例,PD/BC=S(PAB)/S,PE/CA=S(PBC)/S,PF/AB=S(PCA)/S。
- 三小三角形面积之和为S,故 l/2+l/3+l/4=1,解得l=12/13。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 3 · 中点与交点围成的四边形面积
如图,AE=EB,AD/DC=2/3,S△ABC=40,BD与CE交于F。求四边形AEFD的面积。
原题勘误与整理备注原文仅给图和面积条件;整理补明图中BD、CE交于F。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E为AB中点,AD:DC=2:3,F为BD与CE的交点。
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11
- 在△ACE中对共线的B、F、D应用梅涅劳斯定理:AB/BE·EF/FC·CD/DA=1。
- 代入AB/BE=2、CD/DA=3/2,得到EF/FC=1/3。于是S△BEF=(EF/EC)S△BEC=(1/4)(1/2)·40=5。
- S△BCF=(FC/EC)S△BCE=15;又S△BCD=(CD/CA)S△BCA=24,所以S△DCF=24−15=9。
- 四边形AEFD面积=40−5−15−9=11。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 / 作业 3 · 双参数分点的面积比
如图,BD:DC=m:1,CE:EA=n:1,AD、BE交于F。求S△ABF/S△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC、E在CA,AD与BE交于F,m、n是正的内分比例。
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m/(mn+m+1)
- 按图m,n>0。在△ACD中对共线的B、F、E应用梅涅劳斯定理:AE/EC·CB/BD·DF/FA=1,得AF/FD=(m+1)/(mn)。
- 所以AF/AD=(m+1)/(mn+m+1)。同底BD或同高比较,S△ABF/S△ABC=(AF/AD)(BD/BC)。
- 代入BD/BC=m/(m+1),得到所求比值m/(mn+m+1)。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 面积条件反推两个中点
在四边形ABCD中,M、N在AC、CD上,且B、M、N共线,AM/AC=CN/CD。已知S△ABC=1,S△ABD=3,S△BCD=4。求证:M、N分别是AC、CD的中点。
原题勘误与整理备注原文:未单独写出B、M、N共线;整理:补明B、M、N共线;依据:原题图明确的连线。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
B、M、N共线,M在AC内部、N在CD内部,BD与AC交于E。
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AM=MC,CN=ND。
- 设t=AM/AC=CN/CD,0<t<1。由四边形按两条对角线分割,S△ADC=3+4−1=6。
- S△BCN=t·S△BCD=4t;S△BCM=t·S△BCA=t;S△CMN=t·S△CMD=t(1−t)·S△CAD=6t(1−t)。
- 按原图B-M-N共线,△BCN由△BCM和△CMN组成,所以4t=t+6t(1−t)。由t>0化简得t=1/2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 1 · 交叉线面积约束下的最大比值
如图,E、D分别在AB、AC上,BD与CE交于O。若S△OBC=(9/16)S四边形BCDE,求S△ODE/S△ABC的最大值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E在AB、D在AC,O=BD∩CE;面积关系按题干,不把DE∥BC当已知。
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最大值为1/18;当AE/AB=AD/AC=1/3时取得。
- 按图E在AB上、D在AC上,BD与CE交于O。令x=AE/AB、y=AD/AC,0<x,y<1。以A为原点、AB和AC为基向量,用仿射坐标表示B=(1,0)、C=(0,1)、E=(x,0)、D=(0,y)。仿射坐标可用于计算面积比。
- 解BD与CE的交点,得O=(x(1−y)/(1−xy), y(1−x)/(1−xy))。用行列式求面积比,得到S△OBC/S△ABC=(1−x)(1−y)/(1−xy),S△ODE/S△ABC=xy(1−x)(1−y)/(1−xy)。四边形BCDE的面积比为1−xy。
- 设p=xy。由已知面积关系,(1−x)(1−y)=9(1−p)²/16。又x+y≥2√p,故(1−x)(1−y)≤(1−√p)²。两边开平方并约去正数1−√p,得到3(1+√p)/4≤1,即p≤1/9。
- 所求面积比为9p(1−p)/16,在0<p≤1/9内随p增大而增大,因此最大为(9/16)·(1/9)·(8/9)=1/18。取x=y=1/3时满足原条件,故最大值可以取得。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 2 · 共点分线构成的四边形面积比
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
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1/10。
- 由塞瓦定理,(BD/DC)·(CE/EA)·(AF/FB)=1。代入BD/DC=1/3、CE/EA=1,得到AF/FB=3,即BF/BA=1/4。
- 用分点向量求O的位置:令B为原点、A=a、C=c,则D=c/4、E=(a+c)/2。写O=(1−t)a+tc/4=u(a+c)/2,比较a、c系数得t=4/5,故O=(a+c)/5。
- O到BC的高为A到BC的高的1/5,BD/BC=1/4,故S△BDO/S△ABC=1/20。O到AB的高为C到AB的高的1/5,BF/BA=1/4,故S△BFO/S△ABC=1/20。
- 四边形BDOF由△BDO与△BFO组成,所求面积比为1/20+1/20=1/10。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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长期追踪
尚未检查 · 暂无错题复习记录
错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
查看关联的全部错题复习记录暂无复习记录。收到 review 材料后,正确和错误的作答都会在这里保留。
几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 应用模型:分比与截线
题图有线段比却没有平行线时,问:若经过某交点作平行线,能否把两条原本不相邻的线段放入同一组截线?辅助线的目的要在作图前说清。
这节学会什么
- 能解释:缺的往往是一组对应三角形
- 能说明并应用:选择从哪一点出发
示范辅助线DE:从已知分点D出发平行BC,使两腰形成可用的比例。缺的往往是一组对应三角形
题图有线段比却没有平行线时,问:若经过某交点作平行线,能否把两条原本不相邻的线段放入同一组截线?辅助线的目的要在作图前说清。
选择从哪一点出发
通常从已知分点或交点出发,平行于已知三角形的一边。新交点产生一个可直接使用平行截线定理的小三角形,把待求比转成已知比。
作完必须回到原图
新点定义、所在边或延长线、对应比例都写出。若得到的只是新线段长度,最后再用线段和差消去它;不要以“作平行线可得”替代核心比例。
跟着做:把方法走一遍
示范:缺的往往是一组对应三角形
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△ABC中D是AB中点。过D作DE∥BC交AC于E,证明E是AC中点。
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AE=EC。
- AD/AB=1/2。
- 平行截线得AE/AC=1/2,因此AE=EC。
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自检:缺的往往是一组对应三角形
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已知AD:DB=1:2,同样作DE∥BC,AE:EC是多少?
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1:2。
- 平行截线保持两边的部分比。
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什么时候添加平行线
题目有中点、几等分或两条交叉线,但已知比和目标比不在同一组对应三角形中时,可以过一个已知点作平行线,把比例转移到可比较的线段上。
构造与检查
辅助线尽量平行于已有的一条边或已有连线。写清新交点在哪条线段或哪一侧延长线上,再识别相似三角形。
只说明新增线的定义还不够:需要用它得到一个可用比例,再通过线段加减连接待求量。
本讲的几种用法
例7过D作平行于AB的线,把 BE=3AE 转化为新的等长线段。例9利用中点建立 BG=2BD,再把两个分点比转移到BD上。
例10过C作平行于角平分线AD的线,结合120°得到等边三角形,把角度条件转化为长度条件。
先得到分点比例再传递
例6先用内角平分线定理得到BD:DC=1:2,再将比例传到AE/AB和AF/AC;作业5可把所求平行截线长直接写成BC·AD/AB。
进入原讲义例题 · 5
例题 7 · 交叉线中的分点比
在△ABC中,AD与CE相交于点F,AE:EB=1:3,BD:DC=2:1,求EF:FC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E在AB,D在BC,F=AD∩CE。
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1:2
- 过D作DX ∥ AB交CE于X。
- 在△CBE中,CX/CE=CD/CB=1/3,DX/BE=1/3。
- 因BE=3AE,所以DX=AE。
- 由△FAE ∽ △FDX得FE=FX。
- 又CE=CX+XF+FE,且CX=CE/3,故FE=CE/3,FC=2CE/3,因此EF:FC=1:2。
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例题 8 · 平行四边形中的截线比
在平行四边形ABCD中,E是AB的中点,在AD上截取AF=(1/2)FD,EF交AC于点G,求AG/GC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
上边A-F-D,下边B-C,E在AB中点,G=EF∩AC。
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1/4
- 延长FE与CB的延长线交于M。
- 由AF ∥ MB、AE=EB,△AEF ∽ △BEM,得MB=AF。
- 又AF=AD/3,MC=MB+BC=AD/3+AD=4AD/3。
- 由△AGF ∽ △CGM,AG/GC=AF/MC=1/4。
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例题 9 · 中点与三等分的交点比
已知D是AC中点,E、F三等分BC,AE、AF交BD于M、N,求BM:MN:ND。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
BC上的点依次为B、E、F、C。D在AC中点,M=AE∩BD,N=AF∩BD;BD上的顺序B-M-N-D。
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5:3:2
- 过A作AG ∥ BC,与BD的延长线交于G。
- 因AD=DC,△ADG ∽ △CDB,得AG=BC、DG=DB,故BG=2BD。
- △BEM ∽ △GAM,BM/MG=BE/AG=1/3,所以BM=BG/4=BD/2。
- △BFN ∽ △GAN,BN/NG=BF/AG=2/3,所以BN=2BG/5=4BD/5。
- 于是MN=3BD/10、ND=BD/5,所求比为5:3:2。
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例题 10 · 120°角平分线的倒数关系
在△ABC中,∠BAC=120°,AD平分∠BAC,交BC于点D。求证:1/AD=1/AB+1/AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D位于BC,AD为120°顶角的内角平分线。
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1/AD=1/AB+1/AC
- 过C作CE ∥ AD,交BA的延长线于E。
- 因∠BAD=∠DAC=60°,△ACE为等边三角形,所以AE=CE=AC。
- 由△BAD ∽ △BEC,AD/CE=AB/BE=AB/(AB+AC),故AD=AB·AC/(AB+AC)。
- 两边取倒数得1/AD=1/AB+1/AC。
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例题 6 · 角平分线与平行截线等长
在△ABC中,AC=2AB,∠A的平分线交BC于D,过D分别作AB、AC的平行线交AC、AB于F、E,FE和CB的延长线交于G。求证:EF=EG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
DE∥AC、DF∥AB;A-E-B共线,A-F-C共线,G-B-D-C共线,G-E-F共线。
查看参考答案与解析
EF=EG。
- 由角平分线定理,BD:DC=AB:AC=1:2。
- DE∥AC,故BE/BA=BD/BC=1/3,AE=2AB/3。DF∥AB,故CF/CA=CD/CB=2/3,AF=AC/3=2AB/3。
- 因此AE=AF,△AEF为等腰三角形。又四边形AEDF是平行四边形,故DE=AF=AE,即△AED也等腰。
- 给出直接求共线比的截线计算:令B为原点,A、C为两个基向量,则E=A/3,F=(2A+C)/3。直线EF上的点E+t(F−E)=((1+t)A+tC)/3,落在BC直线上时A系数为0,即t=−1。因此G=E−(F−E),所以EG=EF。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 应用模型:分比与截线
一串比式中同一线段可能一处是分子、另一处是整体。先统一AD、DB、AB=AD+DB这样的记号,再把中点关系写成两个长度相等。不要把位置不同的“半段”当作同一段。
这节学会什么
- 能解释:先设能共享的整体
- 能说明并应用:循环乘积为什么会消去
先设能共享的整体
一串比式中同一线段可能一处是分子、另一处是整体。先统一AD、DB、AB=AD+DB这样的记号,再把中点关系写成两个长度相等。不要把位置不同的“半段”当作同一段。
循环乘积为什么会消去
若三条边上的内分点给出x/y、y/z、z/x,三比相乘等于1。消去来自同一个量重复出现,而不是来自图形看起来对称。所有被约去的量必须非零。
从代数检查回到几何
先求出正比例,再检查各分点在指定线段内部。零或负的普通长度意味着设点范围不满足,需要排除;循环乘积条件本身不保证所有图形位置成立。
跟着做:把方法走一遍
示范:先设能共享的整体
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正数x:y=2:3,y:z=3:5,求z:x及三比乘积。
查看参考答案与解析
z:x=5:2;乘积1。
- 统一为x=2t、y=3t、z=5t。
- (2/3)(3/5)(5/2)=1。
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自检:先设能共享的整体
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D是AB中点,AD/CD=3,能直接说AB/CD=6吗?
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可以。
- AB=2AD,因此AB/CD=2×3=6,且CD>0。
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同时使用多个共线条件
中点先提供 1:1 和中位线条件;A、P、Q共线,B、Q、R共线,C、R、P共线则分别提供约束。只使用其中一组,通常不足以确定目标比。
设比例并检验取值
选择一个分点比作为未知量,把其余分点逐个表示出来,再用最后一个共线条件闭合方程。
方程可能有多个代数根。必须依据点在线段内部、线段长度为正等条件筛选,不能只挑看起来简单的根。
中点与交点分别处理
例10中E、F是中点,而R、S是另两条线与PQ的交点;先表示P、Q,再分别求R、S,不能由图形直接断言三等分。
作业10可先引入两条中线的交点O,利用BO:OD=CO:OE=2:1,再确定OM/OB、ON/OC。
进入原讲义例题 · 7
例题 12 · 中位三角形中的循环共线
在正△ABC中,D、E、F是三边中点,P、Q、R分别在EF、FD、DE上,且A、P、Q三点共线,B、Q、R三点共线,C、R、P三点共线。求PF/PE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、E、F分别是BC、CA、AB中点;P在FE,Q在FD,R在DE。画三条中位线和A-P-Q、B-Q-R、C-R-P。
查看参考答案与解析
(√5−1)/2
- 设 x=PF/PE>0。
- 由D、E、F为中点,得FD ∥ AC、DE ∥ AB、FE ∥ BC,且FD=AE、DE=BF、FE=CD。
- 由△APE ∽ △QPF,FQ/AE=PF/PE=x,故FQ/FD=x,QD/FD=1−x。
- 由△BFQ ∽ △RDQ,RD/BF=QD/FQ=(1−x)/x,因BF=DE,故RD/DE=(1−x)/x。
- 再由△CDR ∽ △PER,RD/RE=CD/PE=FE/PE=x+1,因此RD/DE=RD/(RD+RE)=(x+1)/(x+2)。
- 联立得(1−x)/x=(x+1)/(x+2),化简为x²+x−1=0。
- 因x>0,取正根x=(√5−1)/2,即PF/PE=(√5−1)/2。
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例题 3 · 高线上交点与角度对称
如图,H是△ABC的高AD上的任一点,BH、CH分别交AC、AB于E、F。求证:∠EDH=∠FDH。
原题勘误与整理备注原文:“高AD上的任一点”;整理:保留原图D在BC内部、H在AD内部的非退化位置。依据:原题图;H取A或D会使所求角退化。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD⊥BC,H在AD内部;BH交AC于E、CH交AB于F,并连接DE、DF。
查看参考答案与解析
∠EDH=∠FDH(按原图H在AD内部)。
- 按原图设D=(0,0)、A=(0,a)、B=(−b,0)、C=(c,0)、H=(0,h),其中a,b,c>0、0<h<a。
- 联立BH与AC,得E=(bc(a−h)/(ch+ab), ah(b+c)/(ch+ab));同理F=(−bc(a−h)/(bh+ac), ah(b+c)/(bh+ac))。
- E、F的纵坐标均为正,且x_E/y_E=−x_F/y_F=bc(a−h)/(ah(b+c))。所以DE和DF关于竖直线DH对称,二者与DH所成的角相等。
- H=A或D时原题的部分射线、交点角度退化,不在有意义的角度命题范围内。
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例题 4 · 梯形中点连线与互补角
梯形ABCD中,对角线AC和腰BC相等,M是底边AB的中点,P是腰AD延长线上的点,PM交BD于N。求证:∠ACP+∠BCN=180°。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB∥CD且AC=BC;M为AB中点,A-D-P共线,PM交BD于N。
查看参考答案与解析
∠ACP+∠BCN=180°。
- 因为AC=BC且M为AB中点,所以CM⊥AB。缩放后取A=(−1,0)、B=(1,0)、C=(0,h)、M=(0,0)。由CD∥AB,D的纵坐标是h。
- 设P=(p,q),按图P在AD越过D的延长线上,故q>h。由A、D、P共线可得D=(h(p+1)/q−1,h)。联立PM与BD,得N=(hp/(2q−h),hq/(2q−h))。
- 因此向量CN=h/(2q−h)·(p,h−q),而CP=(p,q−h),正比例系数说明CN的方向正是CP关于过C且平行AB的直线的反射方向。
- 同一反射将CA的方向变为CB的反方向。因此∠ACP等于CB反向射线与CN所成的角,与∠BCN互补。
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例题 8 · 矩形中的角平分线
M、N分别是矩形的边AD、BC的中点,在边CD的延长线上取点P,PM交对角线AC于Q,连接PN,QN并延长交PC延长线于R。证明:NM平分∠PNQ。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
矩形ABCD,M、N为AD、BC中点;C-D-P共线,P-M-Q共线,Q-N-R共线,P-C-R共线。
查看参考答案与解析
NM平分∠PNQ。
- 取N=(0,0)、M=(0,h),并设A=(−w,h)、B=(−w,0)、C=(w,0)、D=(w,h),P=(w,p),其中p>h>0。
- PM的方程为y=h+(p−h)x/w,AC的方程为y=h(1−x/w)/2。联立得Q=(−wh/(2p−h),hp/(2p−h))。
- 故射线NQ的方向与(−w,p)相同,射线NP的方向为(w,p),二者关于竖直射线NM对称,所以NM平分∠PNQ。
- 同时QN延长至x=w得R=(w,−p),从而PC=CR,可作为图形关系的复核。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 10 · 两条中线方向的平行截线
在△ABC中,E、F分别是AC、AB的中点,D为BC上任意一点,DP∥CF,DQ∥BE,PQ与BE、CF分别交于R、S。求证:RS=(1/3)PQ。
原题勘误与整理备注原文:仅写DP∥CF、DQ∥BE;整理:补明P在AB、Q在AC,D取BC内部。依据:原题图;端点会使交线重合。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在AB、Q在AC;DP∥CF、DQ∥BE,PQ依次交BE、CF于R、S。
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RS=(1/3)PQ,且PR=RS=SQ。
- 按图P在AB、Q在AC。取B=0,A=a,C=c为向量表示,令D=tc,0<t<1。E=(a+c)/2,F=a/2。
- 由DP∥CF且P在AB,可得P=ta/2;由DQ∥BE且Q在AC,可得Q=((1−t)a+(1+t)c)/2。
- 计算P+(Q−P)/3=(1+t)(a+c)/6,该点在BE上,故为R。计算P+2(Q−P)/3=((2−t)a+2(1+t)c)/6,其a系数是(1−c系数)/2,故该点在CF上,为S。
- 因此R、S在PQ上分别位于1/3和2/3处,RS=PQ/3。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 调和长度条件与角平分线
三角形ABC中,∠A=90°,D为BC上一点且非BC中点,2/AD=1/BD+1/CD,P为AD中点。求证:∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A为直角顶点,D在BC内部且不是中点,P为AD中点;图按满足给定倒数等式的长度构造。
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∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
- 记BD=m,DC=n,BC=a=m+n,AD=d,AB=c,AC=b。题设给出d=2mn/a,且m≠n。
- 由直角条件b²+c²=a²及中间线段公式(Stewart定理)b²m+c²n=a(d²+mn),整理得c²=m²(1+2n/a),b²=n²(1+2m/a)。
- 在△ABD中,设α=∠BAD、δ=∠BDA。余弦定理给cosα=(c²+d²−m²)/(2cd)。代入上式得到cosα=c/(2m)。正弦定理再给sinδ/sinα=c/m=2cosα,所以sinδ=sin2α。
- 若δ=180°−2α,则∠ABD=α,进而AD=BD,即d=m,与d=2mn/a合得m=n,矛盾。因此δ=2α。
- P为AD中点,阿波罗尼斯中线公式给BP²=(c²+m²)/2−d²/4=m²(1+mn/a²),CP²=(b²+n²)/2−d²/4=n²(1+mn/a²)。故BP/CP=m/n=BD/DC。
- D在BC内部,应用△BPC内角平分线定理的逆定理,得到PD平分∠BPC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 · 线段平方条件与中点
已知△ABC中∠A=90°,S、N在AB上,M在BC上,MN⊥BC,SC²=CM·CB。Q在AC上,SQ⊥SO(O为BC中点),SQ交MN于P。求证SP=QP。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
S、N在AB,MN⊥BC,SQ⊥SO,P为SQ与MN交点。
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命题成立,证明如下。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),S=(s,0),O=(b/2,c/2)。由SQ⊥SO、Q在AC上,得Q=(0,s(b−2s)/c)。
- 令T为SQ中点,则T=(s/2,s(b−2s)/(2c))。将T正交投影到BC于M′,有CM′·CB=(T−C)·(B−C)=bs/2−s(b−2s)/2+c²=s²+c²=SC²。
- 题设同样给CM·CB=SC²,且M、M′均在BC上,故M=M′,TM⊥BC。MN也过M且垂直BC,因此T在MN上,T=P,故SP=QP。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 应用模型:分比与截线
梯形上底a、下底b。一条与两底平行的截线从上往下位于总高度比例t处,则截线长(1−t)a+tb,0≤t≤1。这是沿高度线性变化,不是面积也线性变化。
这节学会什么
- 能解释:截面长度如何变化
- 能说明并应用:一个辅助线推导
截面长度如何变化
梯形上底a、下底b。一条与两底平行的截线从上往下位于总高度比例t处,则截线长(1−t)a+tb,0≤t≤1。这是沿高度线性变化,不是面积也线性变化。
一个辅助线推导
过上底右端作左腰的平行线,把梯形拆成平行四边形和三角形。截线在前者截出固定长度a,在后者由相似截出t(b−a),相加即a+t(b−a)。b<a时可交换上下底同理说明。
对角线交点有特别的高度
上底与下底所对的两个交点三角形相似,交点到上底、下底的高之比a:b。因此t=a/(a+b),截线长2ab/(a+b)。这里的交点是两条对角线交点,不能换成任意共点图。
跟着做:把方法走一遍
示范:截面长度如何变化
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7。
- 腰中点连线对应t=1/2,长(4+10)/2=7。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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4。
- 代入2ab/(a+b)=36/9=4。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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普通平行截线
梯形两底为a、b,沿腰从a所在底向b所在底移动比例t,平行截线长为 a+t(b−a)。这个关系可通过添平行线分出三角形与平行四边形推得。
例3先用两部分周长相等求出沿腰的比例,再求截线长度。
过对角线交点的截线
梯形两底为a、b,过对角线交点作平行于底的截线,其长为 2ab/(a+b),因此 2/截线长=1/a+1/b。
推导:对角线交点将对角线按 a:b 分割;由两侧三角形的平行截线比例,截线两段各为 ab/(a+b)。
复用结构与边界
作业12先对大梯形使用结论,再对下面的小梯形使用相同结论,最后合并等式。
例6还包含中点M,截线所处三角形不同,得到 ab/(a+2b)。不能见到梯形就套用同一公式,必须先确认截线经过哪个交点。
共点需要额外条件
例12中ED∥BF能推出AF∥CE,但不能仅凭这两组平行就断言AB、MN、CD共点。
在原题非退化梯形内部位置下,还需EF∥AD;结合原有条件,此时EF²=AD·BC。
进入原讲义例题 · 5
例题 3 · 等周长分割梯形
在梯形 ABCD 中,AD ∥ BC,AD=3,BC=9,AB=6,CD=4。若 EF ∥ BC,且梯形 AEFD 与梯形 EBCF 的周长相等,求 EF 的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD为上底、BC为下底,E在AB、F在DC上,连接EF。
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39/5
- 令 t=AE/AB=DF/DC。
- 两梯形周长相等,消去共同边EF,得 3+6t+4t=9+6(1−t)+4(1−t),故20t=16,t=4/5。
- 平行截线长度随分点比例变化,EF=AD+t(BC−AD)=3+(4/5)×6=39/5。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 底边中点与两交点连线
在梯形ABCD中,AB ∥ CD,M是AB的中点,分别连接AC、BD、MD、MC,且AC与MD交于点E,BD与MC交于点F。(1)求证EF ∥ CD;(2)若AB=a,CD=b,求EF的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、M、B依次位于上底,下底D、C。E=AC∩MD,F=BD∩MC,连接EF。
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(1)EF ∥ CD;(2)ab/(a+2b)
- 由于AM ∥ CD,△AME ∽ △CDE,ME/ED=AM/CD=a/(2b)。
- 同理由BM ∥ CD,△BMF ∽ △DCF,MF/FC=a/(2b)。
- 所以 ME/MD=MF/MC=a/(a+2b)。
- 在△MDC中,比例线段定理的逆定理给出EF ∥ DC;再由相似得EF/DC=ME/MD,故EF=ab/(a+2b)。
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例题 11 · 过对角线交点的平行截线
在梯形ABCD中,AB ∥ CD,AC与BD交于O。MN ∥ AB,且直线MON交AD于M,交BC于N。求证:1/AB+1/CD=2/MN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB是下底、DC是上底,O为对角线交点,水平截线依次M-O-N。
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1/AB+1/CD=2/MN
- 设AB=a,CD=b。
- △AOB ∽ △COD,故AO/OC=BO/OD=a/b,从而AO/AC=BO/BD=a/(a+b)。
- 在△ADC中,MO ∥ DC,得MO=ab/(a+b);在△BDC中,ON ∥ DC,得ON=ab/(a+b)。
- 因此MN=2ab/(a+b),于是2/MN=(a+b)/(ab)=1/AB+1/CD。
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例题 12 · 梯形两腰与交点连线共点
已知梯形ABCD中,AD∥BC,E、F分别在AB、CD上。求证:若ED∥BF,则AF∥CE。又此时若ED、AF交于M,CE、BF交于N,问三直线AB、MN、CD共点的条件。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
梯形AD∥BC;E在AB、F在CD,ED∥BF;M=ED∩AF,N=CE∩BF。图展示一般位置,不预先画成所求特殊共点情形。
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AF∥CE;在题图的非退化内部位置下,三直线共点的充要条件为EF∥AD,或AE/EB=√(AD/BC)。共点时还可推出EF²=AD·BC。
- 设两腰所在直线相交于T。选T为原点,以两腰方向为两个斜坐标轴,并统一刻度,使A=(a,0)、B=(b,0)、D=(0,a)、C=(0,b),其中0<a<b。设E=(e,0)、F=(0,f),a<e,f<b。
- ED∥BF给出(a/ e)=(f/b),即ef=ab。AF的方向为(−a,f),CE的方向为(e,−b);因ef=ab,两向量成比例,所以AF∥CE。
- 联立直线方程,得到M=(a(b−e)/(b−a), ab(e−a)/(e(b−a))),N=(b(e−a)/(b−a), ab(b−e)/(e(b−a)))。
- AB与CD已交于T,因此所问等价于T、M、N共线。两坐标行列式为零等价于a(b−e)²=b(e−a)²;由于e在(a,b)内,化为e=√(ab),再由ef=ab得f=e。
- e=f正是EF∥AD。此时平行截线长度按径向比例变化,EF/AD=e/a,BC/AD=b/a,故EF²=AD·BC。同时AE/EB=(e−a)/(b−e)=√(a/b)=√(AD/BC)。
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例题 6 · 梯形分割面积与边长比例
如图,在△ABC中,∠BAC=2∠B,AD平分∠BAC,DE∥AC。求证:((√S₁+√S₂)/√S₃)²+1=(b/c+1)²。
原题勘误与整理备注原题:b、c未定义;整理为:b=AC、c=AB;依据:独立推导能使原等式成立,属于推断补注,非原书确认。
原题:AD与EC交点标成B,与顶点B重复;整理为:内交点记O;依据:为消除重名而作的编辑命名。
原题:图中DE与AC视觉上不平行;整理为:依印刷条件DE∥AC重绘;依据:题干明确的平行关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
DE∥AC,AD平分∠A;O=AD∩EC。S₁在AOC,S₂在EOD,S₃在BED。
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命题成立,证明如下。
- 按编辑解释,以O表示AD与EC的交点,S₁=[AOC]、S₂=[EOD]、S₃=[BED],b=AC、c=AB。因DE∥AC,△AOC∽△DOE,故AO/OD=AC/DE=√(S₁/S₂)。
- 梯形ACDE中,[AOE]=[COD]=√(S₁S₂),所以[ACDE]=(√S₁+√S₂)²。原式左边=[ABC]/[BED]。
- △BDE∽△BCA,故此比=(BC/BD)²。角平分线定理CD/BD=AC/AB,因此BC/BD=1+AC/AB。
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几何 → 三角形 → 比例、平行线与相似 → 应用模型:分比与截线
在一个环形追比问题中,每条平行线先单独产生一个相似/截线比例。为避免错配,把等式两边写为“待消去量”和“待保留量”,再决定相乘顺序。
这节学会什么
- 能解释:把多次平行关系串起来
- 能说明并应用:乘积消元的本质
把多次平行关系串起来
在一个环形追比问题中,每条平行线先单独产生一个相似/截线比例。为避免错配,把等式两边写为“待消去量”和“待保留量”,再决定相乘顺序。
乘积消元的本质
例如x/y=p/q,y/z=q/r,相乘得x/z=p/r,因为中间y和q消去。几何中这些量必须真是同一段;长度相等也要有依据,不能因字母位置近就约去。
检查最后的图形约束
代数关系给出候选比例后,再检查平行线是否相交于指定边、分母不为零、图形不退化。循环乘积等于1只是一个关系,不自动证明任意三条线共点。
跟着做:把方法走一遍
示范:把多次平行关系串起来
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AB/CD=2/3、CD/EF=3/5,求AB/EF。
查看参考答案与解析
2/5。
- 相乘约去同一段CD,得到(2/3)(3/5)=2/5。
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不能,应相乘得6。
- 设c=t,则b=3t、a=6t。
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内容与使用条件
先明确每条边的方向与编号,再列相似比。
原图未印变量时必须注明补充约定,不能假装原书有标注。
进入原讲义例题 · 1
例题 8 · 平行截线三组乘积相等
过△ABC内一点P作各边平行线,把边分割成线段a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃。证明a₁b₁c₁=a₂b₂c₂=a₃b₃c₃。
原题勘误与整理备注原题:图中未印a₁至c₃的9个线段编号;整理为:a₁,a₂,a₃沿BC由B到C,b₁,b₂,b₃沿CA由C到A,c₁,c₂,c₃沿AB由A到B;依据:此循环编辑约定与原等式一致,不是原书已印标注。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
过P作三边平行线;沿BC、CA、AB各自起点至终点依次循环编号,详见题下编辑备注。
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命题成立,证明如下。
- 设P的重心坐标为(α,β,γ),α+β+γ=1且都大于0。记BC=a、CA=b、AB=c。
- 平行线截比给沿BC从B至C三段为aγ、aα、aβ;沿CA从C至A三段为bα、bβ、bγ;沿AB从A至B三段为cβ、cγ、cα。
- 依照编辑补充的循环编号,每列乘积都是abcαβγ,故a₁b₁c₁=a₂b₂c₂=a₃b₃c₃。
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几何 → 三角形 → 直角三角形与射影
△ABC在C处直角,CD⊥AB,D为垂足。小三角形ACD、CBD与原三角形ABC均由两角相等相似。先画清AB是斜边。
这节学会什么
- 能解释:一条高产生三个相似三角形
- 能说明并应用:按对应列三个等式
C为直角,D为斜边垂足;两小三角形与原三角形相似。图形为关系示意。一条高产生三个相似三角形
△ABC在C处直角,CD⊥AB,D为垂足。小三角形ACD、CBD与原三角形ABC均由两角相等相似。先画清AB是斜边。
按对应列三个等式
由相似得AC/AB=AD/AC,即AC²=AB·AD;同理BC²=AB·BD。两小三角形对应给AD/CD=CD/BD,即CD²=AD·BD。直角边平方是斜边与其投影之积。
什么时候不能套
垂足必须在这个直角三角形的斜边上。如果原三角形不直角,仅有一条高不能推出这些射影公式。外部构造先确认直角在哪里。
跟着做:把方法走一遍
示范:一条高产生三个相似三角形
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直角三角形斜边AB=10,投影AD=3,求AC和CD。
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AC=√30,CD=√21。
- BD=7,AC²=AB·AD=30。
- CD²=AD·BD=21,长度取正根。
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6。
- CD=√(4×9)=6。
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内容与使用条件
若∠A=90°、AD⊥BC,则AB²=BD·BC、AC²=CD·BC、AD²=BD·CD。
多次作垂线时,先寻找共同锐角,再建立对应乘积。
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例题 10 · 角平分线的垂足与半角比例
直角三角形ABC中∠C=90°,BD为角平分线,CE⊥BD于E。证明AC/AB=2CE/BD;BC/AB=(BE²−ED²)/BD²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
C为直角,BD平分∠B,CE垂直BD。
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命题成立,证明如下。
- 设∠CBD=θ,则∠ABC=2θ。由Rt△BCD,BD=BC/cosθ;由垂足E,CE=BC sinθ、BE=BC cosθ。
- 于是2CE/BD=2sinθ cosθ=sin2θ=AC/AB。
- 又ED=BD−BE,所以(BE²−ED²)/BD²=2BE/BD−1=2cos²θ−1=cos2θ=BC/AB。两式均成立。
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几何 → 三角形 → 三角比与特殊角
同一锐角的直角三角形彼此相似,所以对边/斜边、邻边/斜边不随大小改变,分别定义为sinθ、cosθ;对边/邻边叫tanθ。必须先选θ,再说对边邻边。
这节学会什么
- 能解释:一个角怎样决定边的比
- 能说明并应用:特殊角从图形来
一个角怎样决定边的比
同一锐角的直角三角形彼此相似,所以对边/斜边、邻边/斜边不随大小改变,分别定义为sinθ、cosθ;对边/邻边叫tanθ。必须先选θ,再说对边邻边。
特殊角从图形来
把等边三角形平分,得到30°—60°—90°三角形,边比1:√3:2;等腰直角三角形边比1:1:√2。因此cos60°=1/2、sin60°=√3/2。
投影为何是乘余弦
长为r的线段与水平线成锐角θ,它的水平投影是r cosθ。钝角时若使用有向水平分量,cosθ为负;普通长度不为负。必须区分有向分量和无向线段长度。
跟着做:把方法走一遍
示范:一个角怎样决定边的比
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5√3。
- 斜边为10,离地高度是60°对边。
- 高=10sin60°=5√3。
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自检:一个角怎样决定边的比
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直角三角形中对θ的邻边3、斜边5,求cosθ与sinθ。
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cosθ=3/5,sinθ=4/5。
- 勾股得对边√(25−9)=4,再按定义列比。
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几何 → 三角形 → 三角比与特殊角
长r的线段与某方向成60°时,该方向投影为r/2。过端点作垂线,把原图分成直角三角形,就能看见这个一半从cos60°而来。
这节学会什么
- 能解释:用60°把斜边变成水平长度
- 能说明并应用:长度差如何出现
用60°把斜边变成水平长度
长r的线段与某方向成60°时,该方向投影为r/2。过端点作垂线,把原图分成直角三角形,就能看见这个一半从cos60°而来。
长度差如何出现
若两端点都投影到同一条直线上,它们有向投影差等于原向量的投影。向左为负、向右为正。点位变化时先判断脚点次序,再把有向差换成普通长度。
适用边界
60°条件只决定投影比例,不能自动推出整个三角形是等边。等边还需要更多边角关系。讲义中的复杂共线图,先单独截取含60°的一个直角三角形。
跟着做:把方法走一遍
示范:用60°把斜边变成水平长度
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AB=8,AB与水平射线成60°,B到该水平线的垂足为H。求AH。
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4。
- AH是AB的邻边投影,AH=8cos60°=4。
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自检:用60°把斜边变成水平长度
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4√3。
- BH=8sin60°=4√3,或由勾股√(64−16)。
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60°的长度关系
一条长度为 t 的线段与投影方向夹角为60°时,在该方向上的投影为 t/2。这个关系可从等边三角形的高与中点关系理解。
三等分与投影
在BC上按 B-D-E-C 三等分,D的位置相当于从B向C移动三分之一;对应的投影位置也按同样比例变化。把两个端点的投影按 2:1 或 1:2 加权,可以得到D、E的投影。
必须保留的题图条件
例13的图示垂足F在线段AC内、G在线段AB内,因此 CF=AC−AF,BG=AB−AG。若垂足落到延长线上,这些非负线段长度的减法不再可直接使用,原题结论也不能无条件沿用。
进入原讲义例题 · 1
例题 13 · 60°与三等分的垂直投影
在△ABC中,∠A=60°,D、E是BC的三等分点,DF ⟂ AC,EG ⟂ AB。求证:AF=AG=CF+BG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
BC上依次B-D-E-C。图示垂足F在线段AC上、G在线段AB上,连接DF、EG并标直角。
查看参考答案与解析
AF=AG=CF+BG
- 按题图,F在AC上、G在AB上。
- 记AB=c,AC=b。
- 把B、C在AC方向的投影分别记为c/2、b(60°角的投影系数为1/2);D=(2B+C)/3,故AF=(c+b)/3。
- 同理E=(B+2C)/3,在AB方向投影得AG=(c+b)/3。
- 于是CF+BG=(b−AF)+(c−AG)=(b+c)/3=AF=AG。
- 这里的加权投影也可由过B、E作垂线,利用平行线分线段成比例推出。
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几何 → 三角形 → 三角比与特殊角
边a、b、c分别对角A、B、C。作高得同一高度可写为b sinA=a sinB,因此a/sinA=b/sinB;循环得到正弦定理。钝角时高落在延长线,sin(180°−θ)=sinθ仍使公式成立。
这节学会什么
- 能解释:把直角工具推广到任意三角形
- 能说明并应用:余弦定理补上夹角
把直角工具推广到任意三角形
边a、b、c分别对角A、B、C。作高得同一高度可写为b sinA=a sinB,因此a/sinA=b/sinB;循环得到正弦定理。钝角时高落在延长线,sin(180°−θ)=sinθ仍使公式成立。
余弦定理补上夹角
把A放原点,AB=c沿横轴,AC=b与横轴成A,则C=(b cosA,b sinA)。BC²=(b cosA−c)²+(b sinA)²=b²+c²−2bc cosA。A=90°时cosA=0,就是勾股定理。
面积与倍角
面积S=bc sinA/2来自高b sinA。角度和差还可用单位圆旋转推得sin(α+β)=sinα cosβ+cosα sinβ,令α=β得sin2α=2sinα cosα。初学先用于已知特殊角,遇到SSA时要检查可能的第二解。
跟着做:把方法走一遍
示范:把直角工具推广到任意三角形
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√19。
- 余弦定理a²=9+25−2×3×5×1/2=19。
- 边长取正根。
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自检:把直角工具推广到任意三角形
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6。
- 面积=4×6×sin30°/2=6。
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例题 11 · 调和长度条件与角平分线
三角形ABC中,∠A=90°,D为BC上一点且非BC中点,2/AD=1/BD+1/CD,P为AD中点。求证:∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A为直角顶点,D在BC内部且不是中点,P为AD中点;图按满足给定倒数等式的长度构造。
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∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
- 记BD=m,DC=n,BC=a=m+n,AD=d,AB=c,AC=b。题设给出d=2mn/a,且m≠n。
- 由直角条件b²+c²=a²及中间线段公式(Stewart定理)b²m+c²n=a(d²+mn),整理得c²=m²(1+2n/a),b²=n²(1+2m/a)。
- 在△ABD中,设α=∠BAD、δ=∠BDA。余弦定理给cosα=(c²+d²−m²)/(2cd)。代入上式得到cosα=c/(2m)。正弦定理再给sinδ/sinα=c/m=2cosα,所以sinδ=sin2α。
- 若δ=180°−2α,则∠ABD=α,进而AD=BD,即d=m,与d=2mn/a合得m=n,矛盾。因此δ=2α。
- P为AD中点,阿波罗尼斯中线公式给BP²=(c²+m²)/2−d²/4=m²(1+mn/a²),CP²=(b²+n²)/2−d²/4=n²(1+mn/a²)。故BP/CP=m/n=BD/DC。
- D在BC内部,应用△BPC内角平分线定理的逆定理,得到PD平分∠BPC。
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例题 2 · 梯形等角点到交点的距离
在梯形ABCD中,AB∥CD,对角线交点O。P、Q分别是边AD、BC上的点,使∠APB=∠CPD,∠AQB=∠CQD。求证OP=OQ。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
梯形AB∥CD,P、Q位于两腰,按题设角条件选取。
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命题成立,证明如下。
- 设AB=m、CD=n,取A=(0,h)、B=(m,h)、D=(d,0)、C=(d+n,0)。由对角线分比,O=(m(d+n)/(m+n),hn/(m+n))。
- 在△APB与△DPC中用正弦定理,因∠APB=∠CPD且A、D处角的正弦相等,得到PB/PC=m/n。令P=A+t(D−A),代入距离比可因式分解为[(m−n)t−m]·[(m+n)(d²+h²)t−m(d²+2dn+h²)]=0。
- P在边AD内,所以t=m/(m−n)这一分支不可能;代入另一分支t=m(d²+2dn+h²)/[(m+n)(d²+h²)],得OP²=m²n²/(m+n)²。
- 同理由∠AQB=∠CQD可得QA/QD=m/n,交换左右两腰重复同一计算,得到OQ²=m²n²/(m+n)²。故OP=OQ=mn/(m+n)。当m=n时第一因子为非零常数,计算仍有效。
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例题 10 · 倍角条件下延长中线
已知△ABC满足∠ACB=2∠ABC;D在BC边上,CD=2BD。延长AD至E,使AD=DE。证明:(1)AC+CD=EC;(2)∠ECB+180°=2∠EBC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠C=2∠B,BD:DC=1:2,A、D、E共线且AD=DE。
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命题成立,证明如下。
- 记a=BC、b=AC、c=AB。由∠C=2∠B及倍角三角形边式,c²=b(b+a)。取B=(0,0)、C=(a,0)、A=(u,v),则u=(c²+a²−b²)/(2a),D=(a/3,0),E=(2a/3−u,−v)。
- (1)EC²=(u+a/3)²+v²=(4c²−b²)/3+4a²/9=(b+2a/3)²。因长度为正,EC=b+2a/3=AC+CD。
- (2)记e=EC=b+2a/3,f=EB。由坐标,f²=c²/3+2b²/3−2a²/9=b²+ab/3−2a²/9=e(e−a)。
- 设β=∠EBC、γ=∠ECB。余弦定理给cosβ=(a²+f²−e²)/(2af)=−f/(2e)<0;正弦定理给sinγ=(f/e)sinβ=−sin2β=sin(2β−180°)。
- β为钝角且β+γ<180°,排除正弦相等的另一分支,得到γ=2β−180°,即∠ECB+180°=2∠EBC。
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例题 11 · 边长比与内点的三个角
在△ABC中,∠BAC=60°、∠ACB=45°。(1)求AB:BC:CA;(2)P是△ABC内一点,PA=√6+√2,PB=3√2+√6,PC=3√2+2√6。求∠APB、∠BPC、∠CPA。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A=60°、∠C=45°,P为符合给定三距离的内部点;图不标待求角。
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(1)2√2:2√3:(√6+√2);(2)∠APB=120°、∠BPC=90°、∠CPA=150°。
- (1)∠B=75°,正弦定理给AB:BC:CA=sin45°:sin60°:sin75°=2√2:2√3:(√6+√2)。
- (2)记AB=√2t、BC=√3t、CA=(√6+√2)t/2,z=t²。取A=(0,0)、B=(AB,0)、C=(CA/2,√3CA/2),P=(x,y)。由两两距离平方相减,x=[AB²+PA²−PB²]/(2AB),y={ [CA²+PA²−PC²]/CA−x }/√3。
- 将给定PA、PB、PC代入x²+y²=PA²,整理为[z−(22+12√3)][z−(4+2√3)]=0。后一根给x<0、y<0,不符合P在△ABC内部;所以z=22+12√3。
- 分别在△APB、△BPC、△CPA用余弦定理,得到cos∠APB=−1/2、cos∠BPC=0、cos∠CPA=−√3/2。故三个角依次为120°、90°、150°,且和为360°。
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例题 2 · 平方比例推出相似角
△ABC的BC边上有一点P,AP²/AC²=BP/BC。求证∠BAP=∠C。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P位于BC内部,按给定平方比例构造。
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命题成立,证明如下。
- 记BC=a、AB=c、AC=b、BP=x,按原图0<x<a。由余弦定理或坐标展开,AP²=c²+x(b²−c²−a²)/a+x²。
- 题设AP²=b²x/a,代入整理为(a−x)(c²/a−x)=0。因x<a,得到x=c²/a。
- 所以BA/BC=BP/BA=c/a,且∠ABP=∠CBA。由SAS,△BAP∽△BCA,因此∠BAP=∠BCA。
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例题 4 · 等距内点与三倍角
△ABC中∠B=2∠C,P是形内一点,AP=AB、PB=PC。求证∠BAC=3∠PAC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在三角形内部,AP=AB、PB=PC,∠B=2∠C。
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命题成立,证明如下。
- 记∠C=γ、∠B=2γ,令δ=∠PBC=∠BCP(PB=PC)。由AP=AB,∠BPA=∠ABP=2γ−δ。三角形角和给∠PAC=γ−2δ。
- 设BC=a、AB=c。由等腰△BPC,PB=a/(2cosδ);由等腰△ABP,PB=2c cos(2γ−δ)。又正弦定理c/a=sinγ/sin3γ。
- 因此4sinγ cosδ cos(2γ−δ)=sin3γ。用积化和差整理为cos[2(γ−δ)]=1/2。由于0<γ−δ<60°,得γ−δ=30°。
- 于是∠PAC=60°−γ,而∠BAC=180°−3γ=3∠PAC。
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例题 4 · 三等分线与角平分线的共点
将△ABC各内角三等分,每两个角的相邻三等分线相交得到△PQR。Ax、By、Cz分别平分∠A、∠B、∠C,且交QR、RP、PQ于x、y、z。求证:Px、Qy、Rz三线共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
将△ABC各内角三等分,每两个角的相邻三等分线相交得到△PQR。Ax、By、Cz分别平分∠A、∠B、∠C,且交QR、RP、PQ于x、y、z。求证:Px、Qy、Rz三线共点。
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三线共点。
- Ax平分∠RAQ,故Rx/xQ=AR/AQ;By平分∠PBR,故Py/yR=BP/BR;Cz平分∠QCP,故Qz/zP=CQ/CP。
- 在△ABR、△BCP、△CAQ中用正弦定理,得AR/BR=sin(B/3)/sin(A/3),BP/CP=sin(C/3)/sin(B/3),CQ/AQ=sin(A/3)/sin(C/3)。
- 相乘得到(Rx/xQ)·(Qz/zP)·(Py/yR)=1,由△PQR中的塞瓦逆定理,Px、Qy、Rz三线共点。
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例题 8 · 等腰三角形内心与等长分点
I是△ABC的内心,AB=AC,∠A=100°,D在AB上且BD=BI。求∠BCD的度数。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
I是△ABC的内心,AB=AC,∠A=100°,D在AB上且BD=BI。求∠BCD的度数。
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∠BCD=30°。
- ∠ABC=∠ACB=40°,内心I满足∠IBC=∠BCI=20°。由△BIC的正弦定理,BI/BC=sin20°/sin140°=1/(2cos20°)。
- 设x=∠BCD。D在AB上,故△BCD中∠CBD=40°、∠BDC=140°−x。由BD=BI得sin x/sin(140°−x)=1/(2cos20°)。
- 代入x=30°符合上式。唯一性可以不使用微积分:对0<y<x<α<180°,sin x·sin(α−y)−sin y·sin(α−x)=sinα·sin(x−y)>0;两分母均正,因此sin x/sin(α−x)严格递增。取α=140°,得到唯一解30°。
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例题 10 · 三条角平分线足点的垂直条件
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
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∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,取A为原点,B=u、C=v,u²=c²、v²=b²、u·v=(b²+c²−a²)/2。
- 由角平分线定理,D=(bu+cv)/(b+c),E=cv/(a+c),F=bu/(a+b)。于是DE=−bu/(b+c)+c(b−a)v/((a+c)(b+c)),DF=b(c−a)u/((a+b)(b+c))−cv/(b+c)。
- 逐项计算点积,公分母为(a+b)(a+c)(b+c)²;分子为−b²c²(c−a)(a+c)−b²c²(b−a)(a+b)+bc[(a+b)(a+c)+(b−a)(c−a)](b²+c²−a²)/2。整理为a²bc(b²+bc+c²−a²)。
- 所有边长与分母均为正,所以DE·DF=0等价于a²=b²+bc+c²。余弦定理a²=b²+c²−2bc cosA给cosA=−1/2,即A=120°。
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例题 14 · 圆内接四边形的垂足分比
四边形ABCD内接于圆,M在线段AB上。MP⊥BC、MQ⊥CD、MR⊥AD,垂足分别P、Q、R。PR交MQ于N。证明PN/NR=BM/MA。
原题勘误与整理备注原题:M是AB上一点且涉及PN/NR、BM/MA;补充:沿用原图M在AB内部及交点、比值有定义的非退化位置;依据:原题分母和原图。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M在AB上;P、Q、R是到BC、CD、AD的垂足;N=PR∩MQ。
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PN/NR=BM/MA。
- 比较△MPN和△MRN,它们在N的角互补,正弦相等。正弦定理给出PN/NR=(MP/MR)·sin∠PMN/sin∠RMN。
- MP=BM·sin∠ABC,MR=MA·sin∠BAD。两组垂线的夹角关系给出sin∠PMN=sin∠BCD,sin∠RMN=sin∠CDA。
- 圆内接四边形对角互补,故sin B=sin D、sin C=sin A。代入即得PN/NR=BM/MA。
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例题 3 · 圆幂(1)·切线与六十度分点求角
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
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45°。
- 相似缩放令CD=1、AD=2,则AC=3。切割线定理给AB²=AD·AC=6。记BD=x,在△ADB用余弦定理:6=4+x²−2x,故x=1+√3(另一根为负)。
- 取D=(0,0)、A=(2,0)、C=(−1,0)。由∠ADB=60°可取B=(x/2,√3x/2)。所以tan C=√3x/(2+x)=(3+√3)/(3+√3)=1,且C为锐角,故C=45°。
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例题 7 · 圆幂(2)·切线与角平分线的长度乘积
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
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AE²=AF·EF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,CD=b、BD=a+b。角平分线定理BE/EC=c/b,结合EC·BD=BE·BC得c/b=(a+b)/a。
- 切线与割线构成的相似三角形DAB、DCA给DB/DC=(AB/AC)²,即(a+b)/b=c²/b²。与上式合并得到c=a、a²=b(a+b)。
- 角平分线长度公式AE²=bc[1−a²/(b+c)²];它可由△ABE、△ACE面积关系或余弦定理联立推出。代入c=a、a²=b(a+b),得到AE²=b²,所以AE=b。
- BE=a²/(a+b)=b,EC=ab/(a+b)。相交弦定理AE·EF=BE·EC给EF=ab/(a+b)。令t=EF/AE=a/(a+b)=b/a,则t+t²=1。
- AF=AE+EF,故AF·EF=AE²(1+t)t=AE²。
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长期追踪
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几何 → 三角形 → 三角比与特殊角
设△ABC中∠A=2∠B,边a、b、c分别对A、B、C。由正弦定理a/b=sin2B/sinB=2cosB,故a=2b cosB。这里角、对边的对应必须固定。
这节学会什么
- 能解释:二倍角提供额外结构
- 能说明并应用:推导边长恒等式
二倍角提供额外结构
设△ABC中∠A=2∠B,边a、b、c分别对A、B、C。由正弦定理a/b=sin2B/sinB=2cosB,故a=2b cosB。这里角、对边的对应必须固定。
推导边长恒等式
余弦定理给b²=a²+c²−2ac cosB。代入2cosB=a/b并乘b,得b³=a²b+bc²−a²c。移项因式分解:(b−c)[a²−b(b+c)]=0。若b≠c可约去;若b=c则B=C且A=2B,B=45°,直角等腰也有a²=2b²=b(b+c)。因此结论总成立。
学习时先读工具
上面是三角公式路线。若还没学正弦、余弦定理,可先从讲义相似辅助线例题理解同一关系,再回来比较两种证明。不能把结论随意套到“某个角为两倍”却不调整边名。
跟着做:把方法走一遍
示范:二倍角提供额外结构
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2√6。
- 使用a²=b(b+c)=3×8=24。
- 边长取正根a=√24;且满足三角形不等式。
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自检:二倍角提供额外结构
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A=90°、B=C=45°,b=c=2,恒等式给a是多少?
查看参考答案与解析
2√2。
- a²=2(2+2)=8,与勾股一致。
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内容与使用条件
三角形各边均为正,角均介于0与180°之间。
充分性与必要性应分别证明;推导正弦方程时排除退化角。
进入原讲义例题 · 2
例题 10 · 倍角条件下延长中线
已知△ABC满足∠ACB=2∠ABC;D在BC边上,CD=2BD。延长AD至E,使AD=DE。证明:(1)AC+CD=EC;(2)∠ECB+180°=2∠EBC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠C=2∠B,BD:DC=1:2,A、D、E共线且AD=DE。
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命题成立,证明如下。
- 记a=BC、b=AC、c=AB。由∠C=2∠B及倍角三角形边式,c²=b(b+a)。取B=(0,0)、C=(a,0)、A=(u,v),则u=(c²+a²−b²)/(2a),D=(a/3,0),E=(2a/3−u,−v)。
- (1)EC²=(u+a/3)²+v²=(4c²−b²)/3+4a²/9=(b+2a/3)²。因长度为正,EC=b+2a/3=AC+CD。
- (2)记e=EC=b+2a/3,f=EB。由坐标,f²=c²/3+2b²/3−2a²/9=b²+ab/3−2a²/9=e(e−a)。
- 设β=∠EBC、γ=∠ECB。余弦定理给cosβ=(a²+f²−e²)/(2af)=−f/(2e)<0;正弦定理给sinγ=(f/e)sinβ=−sin2β=sin(2β−180°)。
- β为钝角且β+γ<180°,排除正弦相等的另一分支,得到γ=2β−180°,即∠ECB+180°=2∠EBC。
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例题 4 · 等距内点与三倍角
△ABC中∠B=2∠C,P是形内一点,AP=AB、PB=PC。求证∠BAC=3∠PAC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在三角形内部,AP=AB、PB=PC,∠B=2∠C。
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命题成立,证明如下。
- 记∠C=γ、∠B=2γ,令δ=∠PBC=∠BCP(PB=PC)。由AP=AB,∠BPA=∠ABP=2γ−δ。三角形角和给∠PAC=γ−2δ。
- 设BC=a、AB=c。由等腰△BPC,PB=a/(2cosδ);由等腰△ABP,PB=2c cos(2γ−δ)。又正弦定理c/a=sinγ/sin3γ。
- 因此4sinγ cosδ cos(2γ−δ)=sin3γ。用积化和差整理为cos[2(γ−δ)]=1/2。由于0<γ−δ<60°,得γ−δ=30°。
- 于是∠PAC=60°−γ,而∠BAC=180°−3γ=3∠PAC。
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几何 → 三角形 → 角平分线与内外分
△ABC中AD平分∠A且D在BC上,BD/DC=AB/AC。分点两旁的底边段与靠近它们的两腰对应,不是与整条底边相比。
这节学会什么
- 能解释:内角平分线分的是什么
- 能说明并应用:用面积推导
内角平分线分的是什么
△ABC中AD平分∠A且D在BC上,BD/DC=AB/AC。分点两旁的底边段与靠近它们的两腰对应,不是与整条底边相比。
用面积推导
△ABD与△ACD对BC同高,面积比是BD/DC。也可写面积为AB·AD·sin∠BAD/2和AC·AD·sin∠DAC/2。两角相等,公共因子约去,得到AB/AC。
外分需要单独判断
外角平分线与BC所在直线相交时,普通长度也有BD/DC=AB/AC,但D在外部。若AB=AC,外角平分线与BC平行,没有有限交点。不能把内分的“相加等于BC”用于外分。
进阶:角平分线长度从哪里来
记AD=l、BD=m、DC=n、AB=c、AC=b。角ADB与ADC互补,余弦定理给c²=l²+m²−2lm cos∠ADB,b²=l²+n²+2ln cos∠ADB。第一式乘n、第二式乘m后相加,消去余弦项,得到nc²+mb²=(m+n)(l²+mn)。角平分线定理m/n=c/b又使左边除以m+n等于bc,所以AD²=AB·AC−BD·DC。
跟着做:把方法走一遍
示范:内角平分线分的是什么
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AB=6、AC=9、BC=10,内角平分线交BC于D。求BD。
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4。
- BD:DC=2:3,总共5份,每份2,BD=4。
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底边中点。
- BD/DC=1,所以BD=DC。
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内角平分线及逆用
在△ABC中,AD平分∠BAC,D在BC内部,则BD/DC=AB/AC。逆用时,D必须在BC内部,且比例顺序与AB、AC对应。
外角平分线与定义边界
A的外角平分线与BC所在直线交于D时,BD/CD=AB/AC,D在BC的外部。AB=AC时外角平分线平行于BC,没有有限交点,不能直接套用涉及D的长度式。
外分点位于哪一端由邻边大小决定。先写出实际点序再做线段加减,非负长度不能直接照搬有向线段公式。
从例题归纳方法
例5将内心看作△ABD中另一条角平分线的分点。例7对同一顶点D的两条角平分线分别应用定理,再用比例逆定理得到MN∥AB。
例6利用角平分线先确定BD:DC,再通过平行线传到AF、AE。
内角平分线的长度关系
在△ABC中,AD为内角平分线、D在BC上时,AD²=AB·AC−BD·CD,也等于(AB+BD)(AC−CD)。该长度关系结合角平分线分边比,可将边长等式转化为等腰与倍角条件。
角平分线与共线
例5中一条外角平分线和两条内角平分线给出三个比值,乘积约分为1;须保留一个外分点的条件。
外角平分线若与对边平行则没有有限交点,应用前应检查相关两邻边是否等长。
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例题 5 · 内心分角平分线的比
I是△ABC内角平分线的交点,AI交对应边于D。求证:AI/ID=(AB+AC)/BC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
I为内心,A-I-D共线,D在BC上。
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AI/ID=(AB+AC)/BC。
- 设AB=c、AC=b、BC=a。由AD为角平分线,BD/DC=c/b,故BD=ac/(b+c)。
- BI也平分∠ABD。在△ABD内应用角平分线定理,AI/ID=AB/BD=c/[ac/(b+c)]=(b+c)/a。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 角平分线与平行截线等长
在△ABC中,AC=2AB,∠A的平分线交BC于D,过D分别作AB、AC的平行线交AC、AB于F、E,FE和CB的延长线交于G。求证:EF=EG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
DE∥AC、DF∥AB;A-E-B共线,A-F-C共线,G-B-D-C共线,G-E-F共线。
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EF=EG。
- 由角平分线定理,BD:DC=AB:AC=1:2。
- DE∥AC,故BE/BA=BD/BC=1/3,AE=2AB/3。DF∥AB,故CF/CA=CD/CB=2/3,AF=AC/3=2AB/3。
- 因此AE=AF,△AEF为等腰三角形。又四边形AEDF是平行四边形,故DE=AF=AE,即△AED也等腰。
- 给出直接求共线比的截线计算:令B为原点,A、C为两个基向量,则E=A/3,F=(2A+C)/3。直线EF上的点E+t(F−E)=((1+t)A+tC)/3,落在BC直线上时A系数为0,即t=−1。因此G=E−(F−E),所以EG=EF。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 两条角平分线与调和关系
D、E、F分别是△ABC的边AB、BC、CA的中点,∠BDC及∠ADC的角平分线分别交BC及AC于M、N。求证:1/EF+1/DC=2/MN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D、E、F为三边中点,DM和DN为两条角平分线,M在BC,N在AC。
查看参考答案与解析
1/EF+1/DC=2/MN。
- 令AD=BD=u,DC=v。中位线定理给出EF=u,AB=2u。
- 在△BDC中,BM/MC=u/v;在△ADC中,AN/NC=u/v。因此CM/CB=CN/CA=v/(u+v)。
- 由比例定理逆定理,MN∥AB,且MN/AB=v/(u+v),故MN=2uv/(u+v)。整理得2/MN=(u+v)/(uv)=1/EF+1/DC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 矩形中的角平分线
M、N分别是矩形的边AD、BC的中点,在边CD的延长线上取点P,PM交对角线AC于Q,连接PN,QN并延长交PC延长线于R。证明:NM平分∠PNQ。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
矩形ABCD,M、N为AD、BC中点;C-D-P共线,P-M-Q共线,Q-N-R共线,P-C-R共线。
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NM平分∠PNQ。
- 取N=(0,0)、M=(0,h),并设A=(−w,h)、B=(−w,0)、C=(w,0)、D=(w,h),P=(w,p),其中p>h>0。
- PM的方程为y=h+(p−h)x/w,AC的方程为y=h(1−x/w)/2。联立得Q=(−wh/(2p−h),hp/(2p−h))。
- 故射线NQ的方向与(−w,p)相同,射线NP的方向为(w,p),二者关于竖直射线NM对称,所以NM平分∠PNQ。
- 同时QN延长至x=w得R=(w,−p),从而PC=CR,可作为图形关系的复核。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 调和长度条件与角平分线
三角形ABC中,∠A=90°,D为BC上一点且非BC中点,2/AD=1/BD+1/CD,P为AD中点。求证:∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A为直角顶点,D在BC内部且不是中点,P为AD中点;图按满足给定倒数等式的长度构造。
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∠BDA=2∠BAD,PD平分∠BPC。
- 记BD=m,DC=n,BC=a=m+n,AD=d,AB=c,AC=b。题设给出d=2mn/a,且m≠n。
- 由直角条件b²+c²=a²及中间线段公式(Stewart定理)b²m+c²n=a(d²+mn),整理得c²=m²(1+2n/a),b²=n²(1+2m/a)。
- 在△ABD中,设α=∠BAD、δ=∠BDA。余弦定理给cosα=(c²+d²−m²)/(2cd)。代入上式得到cosα=c/(2m)。正弦定理再给sinδ/sinα=c/m=2cosα,所以sinδ=sin2α。
- 若δ=180°−2α,则∠ABD=α,进而AD=BD,即d=m,与d=2mn/a合得m=n,矛盾。因此δ=2α。
- P为AD中点,阿波罗尼斯中线公式给BP²=(c²+m²)/2−d²/4=m²(1+mn/a²),CP²=(b²+n²)/2−d²/4=n²(1+mn/a²)。故BP/CP=m/n=BD/DC。
- D在BC内部,应用△BPC内角平分线定理的逆定理,得到PD平分∠BPC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 1 · 角平分线长度的两个恒等式
在△ABC中,AD是角平分线。求证:(1)AD²=(AB+BD)(AC−CD);(2)AD²=AB·AC−BD·CD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC上,AD平分∠BAC;连接三角形三边与角平分线AD。
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命题成立,证明如下。
- 记AB=c,AC=b,BD=m,CD=n,AD=d。角平分线定理给m/n=c/b,即bm=cn。
- 由斯图尔特定理b²m+c²n=(m+n)(d²+mn),代入m/n=c/b得d²=bc−mn。
- (c+m)(b−n)=bc−mn+bm−cn=bc−mn=d²。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 梯形分割面积与边长比例
如图,在△ABC中,∠BAC=2∠B,AD平分∠BAC,DE∥AC。求证:((√S₁+√S₂)/√S₃)²+1=(b/c+1)²。
原题勘误与整理备注原题:b、c未定义;整理为:b=AC、c=AB;依据:独立推导能使原等式成立,属于推断补注,非原书确认。
原题:AD与EC交点标成B,与顶点B重复;整理为:内交点记O;依据:为消除重名而作的编辑命名。
原题:图中DE与AC视觉上不平行;整理为:依印刷条件DE∥AC重绘;依据:题干明确的平行关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
DE∥AC,AD平分∠A;O=AD∩EC。S₁在AOC,S₂在EOD,S₃在BED。
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命题成立,证明如下。
- 按编辑解释,以O表示AD与EC的交点,S₁=[AOC]、S₂=[EOD]、S₃=[BED],b=AC、c=AB。因DE∥AC,△AOC∽△DOE,故AO/OD=AC/DE=√(S₁/S₂)。
- 梯形ACDE中,[AOE]=[COD]=√(S₁S₂),所以[ACDE]=(√S₁+√S₂)²。原式左边=[ABC]/[BED]。
- △BDE∽△BCA,故此比=(BC/BD)²。角平分线定理CD/BD=AC/AB,因此BC/BD=1+AC/AB。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 5 · 一条外角平分线与两条内角平分线
在△ABC中,AP为∠A的外角平分线,BQ、CR为内角平分线。求证:P、Q、R三点共线。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AP外分BC,BQ、CR内分对边;P-R-Q共线作为待证关系示意。
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P、Q、R三点共线。
- 角平分线定理给BP/PC=AB/AC、CQ/QA=BC/AB、AR/RB=AC/BC。三式相乘得到BP/PC·CQ/QA·AR/RB=1。
- P在BC外部,Q、R分别在CA、AB内部;恰有一个外分点。因此由无向长度版梅涅劳斯逆定理,P、Q、R共线。
- 外角平分线有有限交点P要求AB≠AC;这也是原图的非退化情形。
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例题 8 · 中线与角平分线构造垂直
在△ABC中,AA₁是中线,AA₂是角平分线,K在AA₁上且KA₂∥AC。证明:AA₂⊥KC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A₁为BC中点,AA₂内分A角,KA₂平行AC,K在AA₁上。
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AA₂⊥KC。
- 把A取作原点,记AB向量为u、AC向量为v,长度分别为c、b。由角平分线定理,A₂=(bu+cv)/(b+c)。
- A₁=(u+v)/2。K在AA₁上且KA₂∥AC,比较u的系数可得K=b(u+v)/(b+c)。
- 因此CK=(bu−cv)/(b+c)。计算AA₂与CK的数量积:(bu+cv)·(bu−cv)/(b+c)²=(b²c²−c²b²)/(b+c)²=0。两条非零方向向量数量积为0,故AA₂⊥KC。
- 这里向量数量积的性质为x·y=|x||y|cosθ;故数量积为0等价于两非零向量垂直。
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例题 9 · 等腰三角形中的中点角平分线
已知△ABC,AB=AC,D是BC中点,直线CF⊥BC。E是AB上任一点,ED延长后交直线CF于F,M、N分别是ED、DF中点。求证AD平分∠MAN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
等腰三角形中D为底边中点,E-D-F共线,M、N为两段中点。
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命题成立,证明如下。
- 取D=(0,0)、B=(−1,0)、C=(1,0)、A=(0,h)。写E=(−t,h(1−t)),0<t<1,则ED与x=1交于F=(1,−h(1−t)/t)。
- M、N为中点,故M=(−t/2,h(1−t)/2),N=(1/2,−h(1−t)/(2t))。
- 从A出发,AM的水平偏移绝对值与竖直下移之比是t/[h(1+t)];AN对应比值也是t/[h(1+t)]。两射线分别在AD两侧,因此它们与AD所成锐角相等,AD平分∠MAN。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 3 · 平行截线传递角平分线
△ABC中P是内部一点,AP平分∠BAC。延长AP、BP、CP分别交对边于D、E、F;M、N在BC上,FM∥AD∥EN。求证AD平分∠MAN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD平分∠A,P在AD,FM与EN平行AD,交BC于M、N。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 记k=BD/DC=AB/AC,x=BF/BA,y=CE/CA。对共点的AD、BE、CF应用塞瓦定理,得k·y(1−x)=x(1−y)。
- 由FM∥AD、EN∥AD,BM=x·BD,CN=y·CD。代入上式化简可得(BM/MC)(BN/NC)=k²=(AB/AC)²。
- 设∠BAM=u、∠NAC=v、∠BAC=α。用同高面积比,BM/MC=AB·sin u/[AC·sin(α−u)],BN/NC=AB·sin(α−v)/[AC·sin v]。
- 上面的乘积关系给sin u·sin(α−v)=sin v·sin(α−u),故sinα·sin(u−v)=0,得到u=v。AD原为∠BAC平分线,所以也平分∠MAN。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 5 · 用三边表达角平分线长度
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD为A角内角平分线,以a、b、c表示三边。
查看参考答案与解析
A角平分线长lₐ=√{bc[(b+c)²−a²]}/(b+c)。
- 记BC=a、CA=b、AB=c,A角平分线AD长度为l。角平分线定理给BD=ac/(b+c)、CD=ab/(b+c)。
- 由角平分线长度恒等式l²=bc−BD·CD,得到l²=bc[1−a²/(b+c)²]。
- 因l>0,l=√{bc[(b+c)²−a²]}/(b+c)。另外两个角的公式按a、b、c循环交换。
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例题 10 · 角平分线的垂足与半角比例
直角三角形ABC中∠C=90°,BD为角平分线,CE⊥BD于E。证明AC/AB=2CE/BD;BC/AB=(BE²−ED²)/BD²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
C为直角,BD平分∠B,CE垂直BD。
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命题成立,证明如下。
- 设∠CBD=θ,则∠ABC=2θ。由Rt△BCD,BD=BC/cosθ;由垂足E,CE=BC sinθ、BE=BC cosθ。
- 于是2CE/BD=2sinθ cosθ=sin2θ=AC/AB。
- 又ED=BD−BE,所以(BE²−ED²)/BD²=2BE/BD−1=2cos²θ−1=cos2θ=BC/AB。两式均成立。
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例题 12 · 三外接圆的公共点
△ABC中,E、F在最长边BC上,BE=BA、CF=CA,DE∥AB、DF∥AC。证明△ABF、△ACE、△DEF的外接圆交于一点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
B、F、E、C依次共线,BE=BA,CF=CA,DE∥AB、DF∥AC。
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三圆共同经过△ABC的内心I。
- 设I为△ABC的内心,记三个内角为A、B、C,则∠BIA=90°+C/2。由AC=CF得∠AFC=90°−C/2,所以∠BFA=90°+C/2=∠BIA。F与I在AB同侧,故A、B、F、I共圆。
- 同理,AB=BE使∠AEC=90°+B/2,而∠AIC=90°+B/2。因此A、C、E、I共圆。
- 由上述两组共圆,∠FIA=180°−B、∠AIE=180°−C,结合图中射线顺序得∠FIE=360°−∠FIA−∠AIE=B+C=180°−A。
- 又DE∥AB、DF∥AC,在原图位置有∠FDE=A,于是∠FIE+∠FDE=180°,D、E、F、I共圆。三个圆共同经过内心I。
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几何 → 三角形 → 角平分线与内外分
从顶点A出发的两条射线AD、AE若满足∠BAD=∠EAC,称在∠A内等角共轭。它们不一定长度相等,也不一定都是角平分线。
这节学会什么
- 能解释:等角共轭是关于角平分线对称
- 能说明并应用:用面积把角比转成边比
等角共轭是关于角平分线对称
从顶点A出发的两条射线AD、AE若满足∠BAD=∠EAC,称在∠A内等角共轭。它们不一定长度相等,也不一定都是角平分线。
用面积把角比转成边比
对D在BC内部,BD/DC=(AB sin∠BAD)/(AC sin∠DAC)。E同理。两条射线角度互换,相乘得到(BD/DC)(BE/EC)=(AB/AC)²。
从局部到整三角形
该公式是三角形等角线、角平分线及共点问题的工具。若点在外部,需要有向比并重查角度关系;不能把内点正弦面积式不加说明地套用。
跟着做:把方法走一遍
示范:等角共轭是关于角平分线对称
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AB/AC=2,AD与AE等角共轭,BD/DC=2,求BE/EC。
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2。
- 两个分比乘积为4,所以第二个为4/2=2。
- 这时两射线实际同为角平分线。
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自检:等角共轭是关于角平分线对称
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互为倒数。
- 乘积等于1。
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方法与适用条件
三角形内部点P对应的三组正弦比满足[sin∠BAP/sin∠PAC]·[sin∠CBP/sin∠PBA]·[sin∠ACP/sin∠PCB]=1;可以由三组共高面积比相乘证明。
若两个内部点在A、B处的对应射线分别关于角平分线对称,则这两个顶点的正弦比互为倒数,从而C处也互为倒数。展开正弦差公式即可证明第三组射线也关于角平分线对称。
对边分点M可用BM/MC=AB·sin∠BAM/(AC·sin∠MAC)连接边比与角比。使用前应确认分点在边内,避免把有向比误当正长度比。
进入原讲义例题 · 2
例题 2 · 三角形内的等角共轭点
M、N在△ABC内,满足∠MAB=∠NAC,∠MBA=∠NBC。求证∠MCA=∠NCB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M、N为内点,连至三顶点,按两组已知等角构造。
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命题成立,证明如下。
- 对三角形内部点X,三角函数形式的塞瓦定理给[sin∠BAX/sin∠XAC]·[sin∠CBX/sin∠XBA]·[sin∠ACX/sin∠XCB]=1。此式可由三组共高面积比相乘得到。
- 由题设,M、N在A处的角比互为倒数,在B处的角比也互为倒数,因此C处的两个角比互为倒数。记α=∠MCA、β=∠NCB、γ=∠ACB,则sinα·sin(γ−β)=sinβ·sin(γ−α)。
- 展开得sinγ·sin(α−β)=0。因0<γ<180°且α、β都介于0与γ之间,得到α=β,命题成立。
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例题 3 · 平行截线传递角平分线
△ABC中P是内部一点,AP平分∠BAC。延长AP、BP、CP分别交对边于D、E、F;M、N在BC上,FM∥AD∥EN。求证AD平分∠MAN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD平分∠A,P在AD,FM与EN平行AD,交BC于M、N。
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命题成立,证明如下。
- 记k=BD/DC=AB/AC,x=BF/BA,y=CE/CA。对共点的AD、BE、CF应用塞瓦定理,得k·y(1−x)=x(1−y)。
- 由FM∥AD、EN∥AD,BM=x·BD,CN=y·CD。代入上式化简可得(BM/MC)(BN/NC)=k²=(AB/AC)²。
- 设∠BAM=u、∠NAC=v、∠BAC=α。用同高面积比,BM/MC=AB·sin u/[AC·sin(α−u)],BN/NC=AB·sin(α−v)/[AC·sin v]。
- 上面的乘积关系给sin u·sin(α−v)=sin v·sin(α−u),故sinα·sin(u−v)=0,得到u=v。AD原为∠BAC平分线,所以也平分∠MAN。
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几何 → 三角形 → 中线与重心
连接顶点和对边中点的线段叫中线;三条中线共点,这个点叫重心G。重心沿每条中线把它分成靠顶点2份、靠中点1份。
这节学会什么
- 能解释:中线与重心的定义
- 能说明并应用:用坐标看清2:1
中线与重心的定义
连接顶点和对边中点的线段叫中线;三条中线共点,这个点叫重心G。重心沿每条中线把它分成靠顶点2份、靠中点1份。
用坐标看清2:1
取顶点位置向量a、b、c,BC中点m=(b+c)/2。令g=(a+b+c)/3,则g=a+(2/3)(m−a),所以AG占AM的2/3。同一g也在另两条中线上,证明共点。
几何意义与使用
中线把总面积平分;三条中线把三角形分成六个等面积小三角形。重心不是任意三条线的交点,也不一定到三个顶点等距,后者属于外心。
跟着做:把方法走一遍
示范:中线与重心的定义
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AG=8,GM=4。
- AG:GM=2:1,把12分为3份。
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自检:中线与重心的定义
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A=(0,0),B=(6,0),C=(0,3),求重心。
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(2,1)。
- 分别对横纵坐标取三点平均:(0+6+0)/3=2,(0+0+3)/3=1。
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定义与比例
中线连接顶点与对边中点。三条中线交点G称为重心;若AD、BE、CF为中线,则AG:GD=BG:GE=CG:GF=2:1。
从中线识别重心
两条中线交点足以确定重心,第三条顶点连线必经过对边中点。只看到三条线共点不能直接认定它们是中线。
到基线的距离
例9中CH是中线,重心P满足HP/HC=1/3;H在AB上,故P到AB的距离等于C到AB距离的1/3。
作业10中的M、N是中线的中点,并不是重心。应先分别比较它们与重心O的位置,再用相似求MN:BC。
重心与截线
例7先写重心G=(A+B+C)/3,再确定通过G的平行截线与后续交点。重心坐标公式来自三条中线的交点关系。
进入原讲义例题 · 3
例题 9 · 重心到斜边的距离
如图,∠ACB=90°,CD⊥AB于D,中线BG、CH相交于P,PQ⊥AB于Q。若AB=5,AC=4,求PQ的长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
C为直角顶点,G、H分别为AC、AB中点,BG与CH交于重心P,CD及PQ垂直AB。
查看参考答案与解析
PQ=4/5。
- 由勾股定理,BC=√(5²−4²)=3。比较直角三角形面积,CD=AC·BC/AB=12/5。
- P是两条中线的交点,故为重心,HP/HC=1/3。△HPQ与△HCD相似,得到PQ/CD=HP/HC=1/3,所以PQ=4/5。
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例题 6 · 中线截距的倒数比例
AM是△ABC的中线。直线交AB、AC于P、Q,交AM于N。求证AB/AP+AC/AQ=2AM/AN。
原题勘误与整理备注原题:文字没有定义N;整理为:N=PQ∩AM;依据:原图明确标注的交点关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AM为中线,P、Q在AB、AC上,N=PQ∩AM。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 取A为原点,B、C为两个基向量。设AP/AB=p、AQ/AC=q、AN/AM=t,交点N的仿射坐标为(t/2,t/2)。
- 直线PQ的截距方程为x/p+y/q=1,故t/(2p)+t/(2q)=1,即1/p+1/q=2/t,得到原式。
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例题 7 · 重心平行截线构造相似三角形
G是△ABC的重心,M是BC中点。过G作BC的平行线分别交AB、AC于X、Y。XC交BG于Q,YB交CG于P。证明:△MPQ∽△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
G为重心,XY∥BC,Q=XC∩BG,P=YB∩CG,M为BC中点。
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△MPQ∽△ABC,相似比为1:4。
- 用向量把重心与平行比合并表示:取B为原点,A=a、C=c,则M=c/2,G=(a+c)/3。由XY∥BC,X=a/3,Y=(a+2c)/3。
- 解交点BG∩CX可得Q=(a+c)/4;解交点CG∩BY可得P=(a+2c)/4。
- 故MP=a/4,与AB反向平行;MQ=(a−c)/4,与AC反向平行;PQ=−c/4,与BC反向平行。因此三组对应边均为原三角形的1/4,△MPQ∽△ABC。
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几何 → 三角形 → 中线与重心
设M为BC中点,D在AB、E在AC的所在直线上,DE经过M。若AD=t·AB、AE=s·AC使用从A出发的有向参数,且t、s非零,则1/t+1/s=2。
这节学会什么
- 能解释:中线截线模型的条件
- 能说明并应用:用斜坐标推导
中线截线模型的条件
设M为BC中点,D在AB、E在AC的所在直线上,DE经过M。若AD=t·AB、AE=s·AC使用从A出发的有向参数,且t、s非零,则1/t+1/s=2。
用斜坐标推导
取A为原点,B=(1,0)、C=(0,1),则M=(1/2,1/2)、D=(t,0)、E=(0,s)。截距式直线x/t+y/s=1代入M,得到1/(2t)+1/(2s)=1。
位置决定正负
若DE同时只截两条边的内部,t、s≤1,则倒数之和≥2,等号仅t=s=1,对应BC本身。非平凡截线通常有一个点在延长线上,忽略这一点容易画出不可能的图。
跟着做:把方法走一遍
示范:中线截线模型的条件
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s=2/3。
- 1/2+1/s=2,所以1/s=3/2。
- D在AB越过B的延长线上,E在AC内部,位置一致。
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BC。
- 2/t=2,得t=s=1,所以D=B、E=C。
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内容与使用条件
若PQ分别交AB、AC、AM于P、Q、N,M是BC中点,则AB/AP+AC/AQ=2AM/AN。
按线段正长度使用时,P、Q、N的位置应与题图相同;延长线情形需有向量。
进入原讲义例题 · 1
例题 6 · 中线截距的倒数比例
AM是△ABC的中线。直线交AB、AC于P、Q,交AM于N。求证AB/AP+AC/AQ=2AM/AN。
原题勘误与整理备注原题:文字没有定义N;整理为:N=PQ∩AM;依据:原图明确标注的交点关系。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AM为中线,P、Q在AB、AC上,N=PQ∩AM。
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命题成立,证明如下。
- 取A为原点,B、C为两个基向量。设AP/AB=p、AQ/AC=q、AN/AM=t,交点N的仿射坐标为(t/2,t/2)。
- 直线PQ的截距方程为x/p+y/q=1,故t/(2p)+t/(2q)=1,即1/p+1/q=2/t,得到原式。
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几何 → 三角形 → 截线与共线共点 → 梅涅劳斯定理
△ABC中D∈BC所在直线、E∈CA所在直线、F∈AB所在直线,均不为顶点。一条不经过顶点的截线使D、E、F共线,当且仅当普通长度乘积(BD/DC)(CE/EA)(AF/FB)=1,并满足一个或三个分点在边的外部。
这节学会什么
- 能解释:定理解决三个边上点共线
- 能说明并应用:为什么有外分要求
定理解决三个边上点共线
△ABC中D∈BC所在直线、E∈CA所在直线、F∈AB所在直线,均不为顶点。一条不经过顶点的截线使D、E、F共线,当且仅当普通长度乘积(BD/DC)(CE/EA)(AF/FB)=1,并满足一个或三个分点在边的外部。
为什么有外分要求
一条直线不可能穿过三角形三条边的内部:进入后就离开。因此单看正长度乘积为1不够,三条边中点也满足乘积1却不共线。有向线段版本把这个位置信息编码为负号,需要固定方向约定。
用平行线看乘积
在常见位置D∈BC、F∈AB、E在CA延长线上,过C作CG∥AB交直线DF于G。相似给BD/DC=BF/CG,另组相似给CE/EA=CG/AF;乘上AF/FB正好消去为1。逆向可作直线DF与CA的交点E′,由同样比例及同一外分位置确定E′=E。
跟着做:把方法走一遍
示范:定理解决三个边上点共线
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D、F是BC、AB中点,能找有限点E在CA上使D、E、F共线吗?
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不能,DF∥CA。
- 中点连线平行第三边。
- 梅涅劳斯若硬要求CE/EA=1,有限外分点无法满足,到C、A等距的同线点是内中点,位置不符合。
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自检:定理解决三个边上点共线
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D在BC内且BD/DC=2,F在AB内且AF/FB=3;共线E的CE/EA是多少?
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1/6,E为外分点。
- 乘积条件2×(CE/EA)×3=1;前两点内分,所以第三点必须外分。
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正向定理与比例顺序
设A′在BC所在直线、B′在CA所在直线、C′在AB所在直线上;若三点共线且均非顶点,则(BA′/A′C)(CB′/B′A)(AC′/C′B)=1。
沿B→C→A→B循环记比,每条边分子分母共用同一分点;选错母三角形会写出不对应三边的比例。
逆定理的位置条件
用普通非负长度时,比例乘积为1还不够:三个分点须恰有1个或3个在线段外,此时才能推出三点共线。三个中点都在边内,乘积也为1,但显然不共线。
带方向线段可用有符号形式统一处理;本题库以普通长度和明确点序为主,避免只写乘积不查位置。
讲义勘误
原式第一分母印A′B;整理为A′C,即BA′/A′C。依据:同页逆定理及三边对应定义核对,非用户确认。原PDF不改。
原逆定理未注明外分点个数;整理补充无向长度下须1个或3个外分点。依据:定理位置条件与三中点反例。
例题中的操作
先选三角形,再标出截线与其三边所在直线的交点。例1选△ABM,例2选△ABC,例3选△ACE,同一幅图可以有不同的适用三角形。
证明共点时可先取两线交点,再对第三线使用共线逆定理;例10还需单独讨论两线平行而交点不存在的分支。
进入原讲义例题 · 6
例题 1 · 等腰直角三角形的垂线分边
在△ABC中,∠C=90°,AC=BC,AM是中线,CE⊥AM于D并交AB于E。求AE/EB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
等腰直角三角形C为直角,M为BC中点,CD⊥AM,C-D-E共线。
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2
- M是BC中点,故AC=BC=2CM。在直角△ACM中,CD为斜边上的高,由射影定理AD/DM=AC²/CM²=4。
- 在△ABM中对共线的E、D、C应用梅涅劳斯定理:AE/EB·BC/CM·MD/DA=1。代入BC/CM=2、MD/DA=1/4,得到AE/EB=2。
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例题 2 · 两个垂足的连线截底边
AD是△ABC的高,BD=3,CD=1,DE⊥AB于E,DF⊥AC于F,EF与BC的延长线交于G。求CG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD⊥BC,DE、DF为D到两腰垂足,E-F-G共线,G在C外侧。
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1/2
- 设AD=h。由直角△ADB中的射影定理,AE/EB=AD²/BD²=h²/9;同理由△ADC得CF/FA=CD²/AD²=1/h²。
- 在△ABC中对E、F、G应用梅涅劳斯定理:AE/EB·BG/GC·CF/FA=1,故BG/GC=9。
- 按图B-D-C-G共线,BG=BC+CG=4+CG,于是4+CG=9CG,CG=1/2。
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例题 3 · 中点与交点围成的四边形面积
如图,AE=EB,AD/DC=2/3,S△ABC=40,BD与CE交于F。求四边形AEFD的面积。
原题勘误与整理备注原文仅给图和面积条件;整理补明图中BD、CE交于F。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E为AB中点,AD:DC=2:3,F为BD与CE的交点。
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11
- 在△ACE中对共线的B、F、D应用梅涅劳斯定理:AB/BE·EF/FC·CD/DA=1。
- 代入AB/BE=2、CD/DA=3/2,得到EF/FC=1/3。于是S△BEF=(EF/EC)S△BEC=(1/4)(1/2)·40=5。
- S△BCF=(FC/EC)S△BCE=15;又S△BCD=(CD/CA)S△BCA=24,所以S△DCF=24−15=9。
- 四边形AEFD面积=40−5−15−9=11。
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例题 4 / 作业 3 · 双参数分点的面积比
如图,BD:DC=m:1,CE:EA=n:1,AD、BE交于F。求S△ABF/S△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC、E在CA,AD与BE交于F,m、n是正的内分比例。
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m/(mn+m+1)
- 按图m,n>0。在△ACD中对共线的B、F、E应用梅涅劳斯定理:AE/EC·CB/BD·DF/FA=1,得AF/FD=(m+1)/(mn)。
- 所以AF/AD=(m+1)/(mn+m+1)。同底BD或同高比较,S△ABF/S△ABC=(AF/AD)(BD/BC)。
- 代入BD/BC=m/(m+1),得到所求比值m/(mn+m+1)。
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例题 5 · 一条外角平分线与两条内角平分线
在△ABC中,AP为∠A的外角平分线,BQ、CR为内角平分线。求证:P、Q、R三点共线。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AP外分BC,BQ、CR内分对边;P-R-Q共线作为待证关系示意。
查看参考答案与解析
P、Q、R三点共线。
- 角平分线定理给BP/PC=AB/AC、CQ/QA=BC/AB、AR/RB=AC/BC。三式相乘得到BP/PC·CQ/QA·AR/RB=1。
- P在BC外部,Q、R分别在CA、AB内部;恰有一个外分点。因此由无向长度版梅涅劳斯逆定理,P、Q、R共线。
- 外角平分线有有限交点P要求AB≠AC;这也是原图的非退化情形。
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例题 10 · 完全四边形的共点与平行分支
在四边形ABCD中,E、F、G、H分别在边AB、BC、CD、DA上,EH、BD、FG三线共点于P。求证:HG、AC、EF三线共点或互相平行。
原题勘误与整理备注原题:“HG、AC、EF三线共点”;修正:“HG、AC、EF三线共点或互相平行”;依据:用户批准查证后修正,梅涅劳斯分情况证明及精确坐标平行反例,非原书正式勘误。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
E-H-P、F-G-P、B-D-P分别共线;重绘展示非平行分支,T为AC、EF、HG交点。
查看参考答案与解析
HG、AC、EF三线共点或互相平行。
- 分别在△ABD和△BCD中应用梅涅劳斯定理,并消去关于P、B、D的倒数比例,得到(AE/EB)(BF/FC)(CG/GD)(DH/HA)=1。
- 若EF不平行AC,设T=EF∩AC。在△ABC中应用梅涅劳斯定理,得AT/TC=(AE/EB)(BF/FC)。代入上一等式,再在△ACD中使用逆定理,可知T、G、H共线,所以三线共点。
- 若EF∥AC,由平行截线比得到(AE/EB)(BF/FC)=1,故(CG/GD)(DH/HA)=1,即DG/GC=DH/HA。由比例逆定理,HG∥AC。因此三线互相平行。
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几何 → 三角形 → 截线与共线共点 → 塞瓦与角元塞瓦
△ABC中D、E、F分别在BC、CA、AB内部。AD、BE、CF共点当且仅当(BD/DC)(CE/EA)(AF/FB)=1。沿B→C→A→B循环写比,可以避免某一比倒置。
这节学会什么
- 能解释:三条顶点线怎样共点
- 能说明并应用:面积推导乘积
三条顶点线怎样共点
△ABC中D、E、F分别在BC、CA、AB内部。AD、BE、CF共点当且仅当(BD/DC)(CE/EA)(AF/FB)=1。沿B→C→A→B循环写比,可以避免某一比倒置。
面积推导乘积
设共点P,记S△PBC=x、S△PCA=y、S△PAB=z。△PBD与△PCD面积比BD/DC,△ABD与△ACD也同比,所以z/y=BD/DC;循环得x/z=CE/EA、y/x=AF/FB,乘积为1。
逆向与外部分点
先取AD与BE交于P,CP交AB于F′。正向定理确定AF′/F′B与给定AF/FB相同,内分点唯一故F′=F。外分版本需有向比,并可能出现三线平行;本节基础判据严格限三边内点。
跟着做:把方法走一遍
示范:三条顶点线怎样共点
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BD/DC=2,CE/EA=3,三条顶点线共点,求AF/FB。
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1/6。
- 2×3×(AF/FB)=1,解得1/6。
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自检:三条顶点线怎样共点
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三个比都为1,满足塞瓦逆定理。
- 分点均为内部,逆定理适用。
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内分版本
D、E、F分别在BC、CA、AB内部时,AD、BE、CF共点当且仅当(BD/DC)(CE/EA)(AF/FB)=1。证明可将共点处分成的三角形用同高面积比表示,乘积约去。
运算必须按B→D→C、C→E→A、A→F→B循环排列;把其中一个比单独倒置会改变条件。
外分边界
涉及延长线时必须使用统一有向比,或明确内分/外分组合。齐次共点判定可能包含无穷远点,因此需额外排除三线互相平行,才能声称有限共点。讲义例3缺少这一排除条件,保留待确认。
逆向构造
已知两条线交点,连接第三顶点,再利用乘积条件确定第三个落点。例1将周长平分转为s−a、s−b、s−c的相消乘积。
进入原讲义例题 · 11
例题 4 / 作业 3 · 双参数分点的面积比
如图,BD:DC=m:1,CE:EA=n:1,AD、BE交于F。求S△ABF/S△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC、E在CA,AD与BE交于F,m、n是正的内分比例。
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m/(mn+m+1)
- 按图m,n>0。在△ACD中对共线的B、F、E应用梅涅劳斯定理:AE/EC·CB/BD·DF/FA=1,得AF/FD=(m+1)/(mn)。
- 所以AF/AD=(m+1)/(mn+m+1)。同底BD或同高比较,S△ABF/S△ABC=(AF/AD)(BD/BC)。
- 代入BD/BC=m/(m+1),得到所求比值m/(mn+m+1)。
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例题 1 · 三条周长平分线的共点
证明:过三角形顶点且平分三角形周长的三条直线共点。
原题勘误与整理备注原题:仅用文字描述三条周长平分线,图中标出D、E、F。整理补充:解析沿用图中AD、BE、CF表示三条线,D、E、F分别在BC、CA、AB上。依据:原图标记。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
证明:过三角形顶点且平分三角形周长的三条直线共点。
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三条周长平分线共点。
- 设BC=a、CA=b、AB=c,半周长s=(a+b+c)/2。三条线分别为AD、BE、CF,其中D、E、F位于对边。
- AD平分周长,故AB+BD=AC+CD=s,所以BD=s−c、DC=s−b。同理,CE=s−a、EA=s−c,AF=s−b、FB=s−a。三角形不等式保证这些长度均为正。
- 因此(BD/DC)·(CE/EA)·(AF/FB)=[(s−c)/(s−b)]·[(s−a)/(s−c)]·[(s−b)/(s−a)]=1。由塞瓦定理的逆定理,AD、BE、CF共点。这里三条线均穿过三角形内部,所以不可能互相平行。
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例题 2 · 共点分线构成的四边形面积比
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
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1/10。
- 由塞瓦定理,(BD/DC)·(CE/EA)·(AF/FB)=1。代入BD/DC=1/3、CE/EA=1,得到AF/FB=3,即BF/BA=1/4。
- 用分点向量求O的位置:令B为原点、A=a、C=c,则D=c/4、E=(a+c)/2。写O=(1−t)a+tc/4=u(a+c)/2,比较a、c系数得t=4/5,故O=(a+c)/5。
- O到BC的高为A到BC的高的1/5,BD/BC=1/4,故S△BDO/S△ABC=1/20。O到AB的高为C到AB的高的1/5,BF/BA=1/4,故S△BFO/S△ABC=1/20。
- 四边形BDOF由△BDO与△BFO组成,所求面积比为1/20+1/20=1/10。
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例题 3 · 外部等角配置的三线关系
A₁、B₁、C₁在锐角△ABC外,∠BAC₁=∠CAB₁=α,∠ABC₁=∠CBA₁=β,∠ACB₁=∠BCA₁=γ。求证:AA₁、BB₁、CC₁三线共点。
图形关系说明
按题干给定的点、线及共线关系构图。
题干待确认原结论未排除三线互相平行。取A=(1/2,√3/2)、B=(0,0)、C=(1,0),A₁=(1/2,−tan10°/2)、B₁=(0,tan70°)、C₁=(1,tan70°),满足配对角条件,但AA₁、BB₁、CC₁为三条不同竖直线。需确认是否补充非平行条件,或将结论改为“共点或平行”;尚未按猜测修改。
确认条件前暂不提供参考答案,也不判断作答对错。
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例题 4 · 三等分线与角平分线的共点
将△ABC各内角三等分,每两个角的相邻三等分线相交得到△PQR。Ax、By、Cz分别平分∠A、∠B、∠C,且交QR、RP、PQ于x、y、z。求证:Px、Qy、Rz三线共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
将△ABC各内角三等分,每两个角的相邻三等分线相交得到△PQR。Ax、By、Cz分别平分∠A、∠B、∠C,且交QR、RP、PQ于x、y、z。求证:Px、Qy、Rz三线共点。
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三线共点。
- Ax平分∠RAQ,故Rx/xQ=AR/AQ;By平分∠PBR,故Py/yR=BP/BR;Cz平分∠QCP,故Qz/zP=CQ/CP。
- 在△ABR、△BCP、△CAQ中用正弦定理,得AR/BR=sin(B/3)/sin(A/3),BP/CP=sin(C/3)/sin(B/3),CQ/AQ=sin(A/3)/sin(C/3)。
- 相乘得到(Rx/xQ)·(Qz/zP)·(Py/yR)=1,由△PQR中的塞瓦逆定理,Px、Qy、Rz三线共点。
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例题 5 · 过三边中点的周长平分线
在△ABC中,过三边BC、CA、AB的中点M、N、L的三条平分三角形周长的直线分别为MS、NT、LU。求证:MS、NT、LU三线共点。
原题勘误与整理备注原题:三条周长平分线为MS、NT、LU;图示整理:用中位三角形MNL的内心I明确显示三线共点,MI、NI、LI分别与原三直线重合;依据:参考证明,辅助点I由整理补充。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,过三边BC、CA、AB的中点M、N、L的三条平分三角形周长的直线分别为MS、NT、LU。求证:MS、NT、LU三线共点。 图以中位三角形及其内心I表示三条完整直线的共点关系。
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三线共点。
- 证明MS平分中位三角形MNL的∠LMN。如S在AB上,周长平分给AS=(AB−AC)/2;L为AB中点,故LS=AC/2=LM。
- △MLS等腰,且LS∥MN,故∠LMS=∠MSL=∠SMN,所以MS平分∠LMN。S在AC上的情形对称证明;若AB=AC,则MS=MA为对称轴,结论同样成立。
- 同理NT、LU分别平分中位三角形在N、L处的内角,因此三线在该三角形内心共点。
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例题 6 · 三边外作正方形的中点连线
在△ABC的三边上向外作三个正方形,A₁、B₁、C₁分别是各正方形中与边BC、CA、AB相对的边的中点。求证:AA₁、BB₁、CC₁三线共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC的三边上向外作三个正方形,A₁、B₁、C₁分别是各正方形中与边BC、CA、AB相对的边的中点。求证:AA₁、BB₁、CC₁三线共点。
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AA₁、BB₁、CC₁共点。
- 使用平面向量给出适用于任意非退化三角形的证明。记a=BC、b=CA、c=AB,δ=2S△ABC>0,并取A、B、C逆时针排列。J表示逆时针旋转90°。A₁=(B+C)/2−J(C−B),另两点循环定义。
- 令A为原点,B=u、C=v,则u×v=δ,u·v=(b²+c²−a²)/2。计算得A₁×v=(δ+a²+b²−c²)/2,u×A₁=(δ+a²+c²−b²)/2。故直线AA₁上点的重心坐标满足y:z=X:Y,其中X=δ+a²+b²−c²,Y=δ+a²+c²−b²。
- 再记Z=δ+b²+c²−a²。循环计算给BB₁上的z:x=Z:X、CC₁上的x:y=Y:Z。因此三条直线共同经过重心坐标K=(XY:XZ:YZ)。等式用齐次坐标写成立,即使某个X、Y、Z为0也无需除以0。
- K是有限点:XY+YZ+ZX=7δ²+2δ(a²+b²+c²)>0(展开并用2a²b²+2b²c²+2c²a²−a⁴−b⁴−c⁴=4δ²)。所以三线确实共点而非互相平行。
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例题 7 · 角平分线垂足与平方和
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
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AB²+CP²=AC²+BP²。
- 取A为原点,AB、AC的单位方向向量分别为u、v,AB=c、AC=b,u·v=k=cosA。由角平分线定理,M=bc(u+v)/(b+c)。
- 因此AE=AF=t=bc(1+k)/(b+c),E=tu、F=tv。设P=xu+yv。P在CE上给x/t+y/b=1,在BF上给x/c+y/t=1。解得x=ct(b−t)/(bc−t²),y=bt(c−t)/(bc−t²)。由于三角形非退化,t²<bc,分母非零。
- BC的方向向量为bv−cu。点积P·(bv−cu)=[t/(bc−t²)]·{bc(b−c)(1+k)+(c²−b²)t}=0,最后一步代入t=bc(1+k)/(b+c)。所以AP⊥BC。
- 由向量展开,CP²−BP²=|bv−P|²−|cu−P|²=b²−c²−2P·(bv−cu)=b²−c²,移项即得结论。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 10 · 三条角平分线足点的垂直条件
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
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∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,取A为原点,B=u、C=v,u²=c²、v²=b²、u·v=(b²+c²−a²)/2。
- 由角平分线定理,D=(bu+cv)/(b+c),E=cv/(a+c),F=bu/(a+b)。于是DE=−bu/(b+c)+c(b−a)v/((a+c)(b+c)),DF=b(c−a)u/((a+b)(b+c))−cv/(b+c)。
- 逐项计算点积,公分母为(a+b)(a+c)(b+c)²;分子为−b²c²(c−a)(a+c)−b²c²(b−a)(a+b)+bc[(a+b)(a+c)+(b−a)(c−a)](b²+c²−a²)/2。整理为a²bc(b²+bc+c²−a²)。
- 所有边长与分母均为正,所以DE·DF=0等价于a²=b²+bc+c²。余弦定理a²=b²+c²−2bc cosA给cosA=−1/2,即A=120°。
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例题 11 / 作业 6 · 向外直角三角形的交点连线
锐角△ABC向外作△ABE和△ACF,使AB⊥BE、AC⊥CF,且∠EAB=∠CAF。若BF、CE交于P,求证:AP⊥BC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
锐角△ABC向外作△ABE和△ACF,使AB⊥BE、AC⊥CF,且∠EAB=∠CAF。若BF、CE交于P,求证:AP⊥BC。
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AP⊥BC。
- 通过相似缩放取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(u,v),锐角条件给0<u<1、v>0。令t=tan∠EAB=tan∠CAF>0。
- 由向外、直角和正切条件,E=(−tv,tu),F=(1+tv,t(1−u))。若P=(x,y)=BF∩CE,则BF方程为y=t(1−u)x/(1+tv),CE方程为y=tu(1−x)/(1+tv)。
- 两式相等得到(1−u)x=u(1−x),故x=u。A、P的横坐标相同,而BC水平,所以AP⊥BC。
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例题 12 · 两层共点三线的传递
△ABC的边AB、BC、CA上分别有F、D、E,且AD、BE、CF共点。△DEF的边DE、EF、FD上分别有Z、X、Y,且DX、EY、FZ也共点。求证:AX、BY、CZ共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC的边AB、BC、CA上分别有F、D、E,且AD、BE、CF共点。△DEF的边DE、EF、FD上分别有Z、X、Y,且DX、EY、FZ也共点。求证:AX、BY、CZ共点。
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AX、BY、CZ共点。
- 采用重心坐标:点(x:y:z)表示(xA+yB+zC)/(x+y+z),三坐标同时乘非零常数不改变点。第一组共点且分点都在边内部,因此可选u,v,w>0,使D=(0:v:w)、E=(u:0:w)、F=(u:v:0)。
- 第二组共点,运用△DEF中的塞瓦定理,可选d,e,f>0,使X=eE+fF、Y=dD+fF、Z=dD+eE;这里对D、E、F使用上一行未归一化坐标,缩放可吸收进d,e,f。
- 于是X=(u(e+f):vf:we),Y=(uf:v(d+f):wd),Z=(ue:vd:w(d+e))。AX要求y/z=vf/(we),BY要求z/x=wd/(uf),CZ要求x/y=ue/(vd)。
- 三个比值乘积为1,而且公共点可直接写为(uef:vdf:wde),坐标均正、和非零。因此三线共点于三角形内部。
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几何 → 三角形 → 截线与共线共点 → 塞瓦与角元塞瓦
AD、BE、CF在三角形内部共点。由面积,BD/DC=AB sin∠BAD/(AC sin∠DAC),其余两条线同理。把这三个式子乘起来,边长因子循环消去。
从边比换成角比
AD、BE、CF在三角形内部共点。由面积,BD/DC=AB sin∠BAD/(AC sin∠DAC),其余两条线同理。把这三个式子乘起来,边长因子循环消去。
得到角元塞瓦
结果为[sin∠BAD/sin∠DAC]·[sin∠CBE/sin∠EBA]·[sin∠ACF/sin∠FCB]=1。每个顶点按相同循环方向分“前后角”,不能某一项突然取倒数。
用来求角的步骤
先设未知角x,用三角形角和补齐六个小角,再代公式化简。得到sin u=sin v时,必须利用角度范围排除u=180°−v的可能,不能一律说u=v。
跟着做:把方法走一遍
示范:从边比换成角比
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查看参考答案与解析
都为1,三线共点。
- 每个分子分母是相等小角的正弦,故比值1。
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sin u=sin v且0<u,v<90°,能推出u=v吗?
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能。
- 正弦在锐角区间严格递增;若不限制区间,30°与150°就是反例。
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公式及推导
P在△ABC内时,(sin∠BAP/sin∠PAC)(sin∠CBP/sin∠PBA)(sin∠ACP/sin∠PCB)=1。
设AP交BC于D。△ABD、△ACD的面积比一方面是BD/DC,另一方面是AB·sin∠BAD/(AC·sin∠DAC)。其余两边循环写出再相乘,边长因子相消,并由塞瓦定理得到公式。
求角步骤
先用三角形内角和补齐六个小角,再代入角元塞瓦。确认候选角满足等式后,还应利用角的范围或正弦比单调性证明唯一,不能只报近似值。例8—9展示特殊角的精确求解。
进入原讲义例题 · 2
例题 8 · 等腰三角形内心与等长分点
I是△ABC的内心,AB=AC,∠A=100°,D在AB上且BD=BI。求∠BCD的度数。
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I是△ABC的内心,AB=AC,∠A=100°,D在AB上且BD=BI。求∠BCD的度数。
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∠BCD=30°。
- ∠ABC=∠ACB=40°,内心I满足∠IBC=∠BCI=20°。由△BIC的正弦定理,BI/BC=sin20°/sin140°=1/(2cos20°)。
- 设x=∠BCD。D在AB上,故△BCD中∠CBD=40°、∠BDC=140°−x。由BD=BI得sin x/sin(140°−x)=1/(2cos20°)。
- 代入x=30°符合上式。唯一性可以不使用微积分:对0<y<x<α<180°,sin x·sin(α−y)−sin y·sin(α−x)=sinα·sin(x−y)>0;两分母均正,因此sin x/sin(α−x)严格递增。取α=140°,得到唯一解30°。
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例题 9 · 等腰三角形内一点的已知角
在△ABC中,∠B=∠C=40°。P为三角形内一点,∠PAC=20°,∠PCB=30°。求∠PBC的度数。
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在△ABC中,∠B=∠C=40°。P为三角形内一点,∠PAC=20°,∠PCB=30°。求∠PBC的度数。
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∠PBC=20°。
- 设x=∠PBC,则∠BAP=80°、∠PAC=20°、∠ACP=10°、∠PCB=30°、∠ABP=40°−x。
- 由角元塞瓦定理,(sin80°/sin20°)·(sin x/sin(40°−x))·(sin10°/sin30°)=1。
- 恒等式2sin10°cos10°=sin20°说明sin80°sin10°=sin20°sin30°,所以sin x=sin(40°−x)。两角均在(0°,40°)内,正弦严格递增,得到x=20°。
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几何 → 直线与轨迹 → 垂直平分线与等距
线段AB的垂直平分线是经过中点且垂直AB的直线。其上每点P满足PA=PB;反过来到A、B等距的点也在该直线上。
这节学会什么
- 能解释:垂直平分线的双向性质
- 能说明并应用:为什么成立
垂直平分线的双向性质
线段AB的垂直平分线是经过中点且垂直AB的直线。其上每点P满足PA=PB;反过来到A、B等距的点也在该直线上。
为什么成立
设M为AB中点。若PM⊥AB,两个直角三角形PMA、PMB两直角边相等,故全等,PA=PB。反过来若PA=PB,结合MA=MB和公共PM得SSS全等,两邻角相等又互补,故各90°。P=M时结论直接成立。
轨迹与圆的连接
两个等距条件把点限制在两条垂直平分线上,非共线三点的两条垂直平分线交于外心。共线三点不能随意声称有唯一外接圆,必须检查非退化。
跟着做:把方法走一遍
示范:垂直平分线的双向性质
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A=(−2,0)、B=(2,0),所有到A、B等距的点是什么?
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直线x=0。
- AB中点原点,AB水平,垂直平分线为纵轴。
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自检:垂直平分线的双向性质
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不说明。
- P可在整条垂直平分线上,例如P=(0,3)。
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方法与条件
点在线段的垂直平分线上,当且仅当它到线段两端距离相等。
构造指定距离的点时,可将等距轨迹与圆相交;必须先检查交点存在,再证明其他长度要求。
直角三角形中点问题,可通过相似或投影比较两条目标距离的平方。
进入原讲义例题 · 1
例题 12 · 同侧相似直角三角形的等距
C是线段AB上一点,在AB一侧作Rt△ADC∽Rt△BEC,且∠ACD=∠BCE。设P是AB中点,求证PD=PE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、C、P、B共线,D、E处为直角,P为AB中点。
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命题成立,证明如下。
- 取C为原点,A=(−a,0)、B=(b,0),a,b>0。记共同角∠ACD=∠BCE=θ,令s=sinθ、c=cosθ。
- 因△ADC、△BEC分别以AC、BC为斜边且直角在D、E,可写D=(−ac²,acs)、E=(bc²,bcs),P=((b−a)/2,0)。
- 直接比较距离平方:PD²−PE²=(a²−b²)c²+2·[(b−a)/2](a+b)c²=0。因此PD=PE。
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几何 → 圆 → 基础:半径、弦与位置
固定点O和正数R,到O距离恰为R的点组成圆;内部点距离<R,外部点距离>R。圆周和圆内部不是同一概念,题目“至少一点在圆内”不包含恰在圆上。
这节学会什么
- 能解释:圆是等距点的集合
- 能说明并应用:为什么有对称性
圆是等距点的集合
固定点O和正数R,到O距离恰为R的点组成圆;内部点距离<R,外部点距离>R。圆周和圆内部不是同一概念,题目“至少一点在圆内”不包含恰在圆上。
为什么有对称性
绕O旋转保持到O的距离,因此圆旋转后不变。经过O的直线作反射也保持距离,所以任一直径所在直线都是圆的对称轴。连接两圆上点的线段叫弦,过圆心的弦叫直径。
三点定圆的条件
三个不共线点的两条垂直平分线交于O,O到三点等距,确定唯一圆。若三点共线且互异,则不存在经过三者的圆;半径必须为正。
跟着做:把方法走一遍
示范:圆是等距点的集合
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到O距离分别2、3、5的三点,若至少一点在圆内、至少一点在圆外,半径R范围?
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2<R<5。
- 圆内至少一个需R>最小距离2。
- 圆外至少一个需R<最大距离5;等于端点不满足严格内外。
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自检:圆是等距点的集合
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在圆上,不在圆内。
- 距离相等属于圆周。
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圆是什么
平面内到定点O距离等于定长R>0的所有点组成圆,记作圆O;O是圆心,R是半径。圆周不包含圆内部。圆心相同而半径不同的圆是同心圆;半径相等的圆是等圆。
任意经过圆心的直线都是圆的对称轴,圆心是其对称中心。这源于反射或绕圆心旋转不会改变一个点到圆心的距离。
圆内、圆上、圆外
设OP=d。d<R时P在圆内,d=R时在圆上,d>R时在圆外。题目说“至少一点在圆内、至少一点在圆外”时要用严格不等式;圆上的点不能替代其中任何一类。
三点定圆与外心
不共线三点A、B、C确定唯一圆。AB与AC的中垂线相交于O,OA=OB且OA=OC,所以O是圆心;中垂线交点唯一,故圆唯一。
这个圆是△ABC外接圆,O是外心,也是三边中垂线交点。锐角三角形外心在内部,直角三角形外心在斜边中点,钝角三角形外心在外部。
进入原讲义例题 · 4
例题 2 · 圆内外条件确定半径范围
△ABC中,∠C=90°,AC=2,BC=3,M为AB中点。以C为圆心作圆,使A、B、M三点至少有一点在圆内,至少有一点在圆外,求半径r的范围。
查看参考答案与解析
√13/2<r<3。
- AB=√13。直角三角形斜边中线等于斜边一半,所以CM=√13/2。
- CM<CA<CB。至少一点在圆内等价于r>CM,至少一点在圆外等价于r<CB;圆上不算圆内或圆外,两个端点均不取。
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例题 5 · 三等分直径的距离和上界
EF为圆O直径,B、C在EF上且EB=BC=CF,A在圆O上。证明AB+AC≤(√10/3)EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
直径EF依次经过B、O、C,EB=BC=CF,A在圆上。
查看参考答案与解析
AB+AC≤(√10/3)EF,A在BC的垂直平分线上时取等。
- 设半径R,OB=OC=R/3,O是BC中点。中线公式给出AB²+AC²=2AO²+2OB²=20R²/9。
- 由(AB−AC)²≥0,(AB+AC)²≤2(AB²+AC²)=40R²/9。取平方根并代入EF=2R即得结论;等号要求AB=AC。
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例题 6 · 连续垂足的平方和
圆O半径R,OA、OB为两条半径。过A作AC⊥直线OB于C,再作CP⊥AB于P,连接OP,证明OP²+CP²=R²。
原题勘误与整理备注原题:作AC⊥OB,原图C在OB的反向延长线上;补充:按原图把OB理解为直线OB;依据:原印刷图的共线位置。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
B、O、C共线且C在OB反向延长线上;AC⊥OB,CP⊥AB。
查看参考答案与解析
OP²+CP²=R²。
- 以P为原点,AB为横轴,设A=(a,0),B=(b,0),C=(0,c),O=(u,v)。OA=OB使u=(a+b)/2。
- 因AC⊥OB且O、C、B共线,有(A−C)·(B−C)=0,所以ab+c²=0。
- OA²−OP²=(a−u)²−u²=a²−2au=−ab=c²=CP²。故OP²+CP²=OA²=R²。
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例题 10 · 垂直对角线的四段平方和
四边形ABCD内接于半径r的圆,AC与BD相交于E且AC⊥BD,证明EA²+EB²+EC²+ED²=4r²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
圆内接四边形的对角线AC⊥BD,交点为E。
查看参考答案与解析
EA²+EB²+EC²+ED²=4r²。
- 以E为原点,AC、BD为坐标轴,圆心为(u,v)。设A、C的横坐标为a,c,B、D的纵坐标为b,d。
- 圆与x轴的交点满足x²−2ux+(u²+v²−r²)=0,故a²+c²=4u²−2(u²+v²−r²)。同理b²+d²=4v²−2(u²+v²−r²)。相加等于4r²。
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几何 → 圆 → 基础:半径、弦与位置
过圆心O向弦AB作垂线,垂足M为弦中点。因为OA=OB为半径,两个直角三角形OMA、OMB斜边相等且OM公共,由HL全等得AM=BM。
这节学会什么
- 能解释:垂径定理的基础部分
- 能说明并应用:把弦长变成直角三角形
连半径与半弦,得到可用勾股定理的直角三角形OMA。垂径定理的基础部分
过圆心O向弦AB作垂线,垂足M为弦中点。因为OA=OB为半径,两个直角三角形OMA、OMB斜边相等且OM公共,由HL全等得AM=BM。
把弦长变成直角三角形
半径R、弦心距d,则半弦长√(R²−d²),整弦长2√(R²−d²)。同圆或等圆中弦越长离圆心越近;不同半径的圆不能直接比较。
弧、弦、圆心角的对应
同圆或等圆中相等的较小圆心角对应等弦和等小弧。逆定理“平分弦的直径垂直弦”要排除被平分的弦本身是直径,否则所有直径互相平分却未必垂直。
跟着做:把方法走一遍
示范:垂径定理的基础部分
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8。
- 半弦长√(25−9)=4,整弦长8。
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长8的弦。
- 半弦平方增大,R²−半弦平方减小,弦心距更小。
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先分清弧与弦
圆周两点之间的圆周部分叫弧,大于半圆的是优弧,小于半圆的是劣弧。连接这两点的线段叫弦,经过圆心的弦叫直径。圆心到弦所在直线的垂直距离叫弦心距。
顶点在圆心、两边经过圆上两点的角是圆心角。在同圆或等圆中,相等圆心角对应等弧、等弦和相等弦心距。比较弧时要区分劣弧、优弧,不能只看两个端点。
垂径定理及推导
圆心O到弦AB作垂线OM。因为OA=OB,直角△OMA与△OMB斜边、直角边分别相等,所以AM=BM。关于OM反射又交换A、B,因此它同时平分AB所对的两条弧。
反过来,圆心与非直径弦的中点连线垂直此弦;“经过圆心且平分弦”中必须排除弦本身为直径,否则经过圆心的任意直线都经过这个中点。
由直角△OMA得R²=OM²+(AB/2)²。同圆中等弦对应等弦心距,弦越长则弦心距越小。
平行弦与用法
两条平行弦之间夹的两段侧弧相等。可用平行线所成相等角、圆周角与对应弧来证明,也可用经过圆心且垂直两弦的共同对称轴证明。
看到弦长和半径,先连圆心到弦中点;看到等弧先转等弦,看到角平分线可考虑圆心到两弦所在直线的距离。
进入原讲义例题 · 4
例题 1 · 等弧与等腰三角形
在圆O中,弦AB、CD相交于P,OM⊥AB、ON⊥CD,M、N为垂足。连接MN。若弧AD等于弧BC,证明△PMN是等腰三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
弧AD=弧BC,弦AB与CD交于P;OM、ON为弦心距。
查看参考答案与解析
PM=PN。
- 相等弧AD、BC加上公共弧DB,得到对应的弧AB、DC相等,所以弦AB=CD。
- 等弦的弦心距相等,故OM=ON。直角三角形OMP、ONP共有斜边OP,另有OM=ON,由HL全等可知PM=PN。
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例题 3 · 四十五度相交弦的平方和
圆O中,弦CD与直径AB相交于P,∠DPB=45°,半径为R。证明PC²+PD²=2R²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
直径A、P、O、B共线,C、P、D共线,∠DPB=45°。
查看参考答案与解析
PC²+PD²=2R²。
- 设OP=t,作OM⊥CD。因为直径与CD夹角45°,OM²=t²/2。垂径定理给出CD²=4(R²−t²/2)。
- 相交弦定理得PC·PD=PA·PB=R²−t²。因此PC²+PD²=CD²−2PC·PD=2R²。
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例题 4 · 直径端点到弦的距离差
圆O直径AB=20,G在直径AB上,CD为过G的弦,CD=16 cm。过A、B分别作AE⊥CD、BF⊥CD,求AE与BF的差。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB=20,CD=16;AE与BF垂直CD,A、G、B共线。
查看参考答案与解析
|AE−BF|=12 cm;原图中AE−BF=12 cm。
- 圆心到弦的距离为√(10²−8²)=6 cm。
- A、B在直线CD异侧,O是AB中点,所以O到CD的距离等于两端有向距离和的一半,即|AE−BF|/2=6。
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例题 8 · 两条高所在弦等长
锐角△ABC中,∠BAC=60°。高BE延长交外接圆于B₁,高CF延长交外接圆于C₁。证明BB₁=CC₁。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠BAC=60°,BE、CF为高,其延长线分别交外接圆于B₁、C₁。
查看参考答案与解析
BB₁=CC₁。
- 令AB=c、AC=b,以A为原点,AB为x轴,则B=(c,0)、C=(b/2,√3b/2)。外心O满足OA=OB=OC,得O=(c/2,(2b−c)/(2√3))。
- 高CF垂直AB,其所在直线为x=b/2,所以外心到CF的距离是|c−b|/2。
- AC方向单位向量为(1/2,√3/2)。高BE以此为法向量,外心到BE的距离为|(O−B)·(1/2,√3/2)|=|b−c|/2。等弦心距对应等弦,因此BB₁=CC₁。
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几何 → 圆 → 圆周角与共圆
圆心角顶点在圆心,圆周角顶点在圆上。两角必须对同一段弧,才能说圆周角是圆心角的一半。若圆周角顶点落在另一段弧,所对弧会改变。
这节学会什么
- 能解释:圆心角与圆周角看顶点
- 能说明并应用:为什么出现一半
P在大弧AB上,∠APB与较小的∠AOB对同一小弧AB。圆心角与圆周角看顶点
圆心角顶点在圆心,圆周角顶点在圆上。两角必须对同一段弧,才能说圆周角是圆心角的一半。若圆周角顶点落在另一段弧,所对弧会改变。
为什么出现一半
先考虑圆心在圆周角一边上的情形,连接另一端半径形成等腰三角形,外角等于两个相等底角之和,所以圆心角为圆周角二倍。一般情形引过顶点的直径,把角分成两个上述角,用角的和或差完成证明。
直径与共圆的入口
半圆弧对应圆心角180°,所以直径所对圆周角90°。同一弦同侧圆周角相等,异侧圆周角互补。这正是下一节四点共圆判据的依据。
跟着做:把方法走一遍
示范:圆心角与圆周角看顶点
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同一小弧AB圆心角80°,P在另一段大弧上,求∠APB。
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40°。
- P所对的是80°小弧,圆周角取一半。
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自检:圆心角与圆周角看顶点
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90°。
- 所对半圆为180°,一半为90°。
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圆周角定理
顶点在圆上、两边分别与圆再相交的角叫圆周角。它所对的是两交点之间不包含角顶点的那条弧。圆周角等于该弧对应圆心角的一半;若弧为优弧,圆心角也应理解为对应的优角。
推导从“圆心在角的一边上”开始:连接圆心与另一个端点,等半径形成等腰三角形,用外角等于两内角和得到二倍关系。圆心在角内部时把角拆成两角相加;圆心在角外部时把较大角减去较小角。
同弧角和直径
同弧所对圆周角相等;同一弦两侧的圆周角互补,不能不分侧别一律写成相等。半圆弧为180°,因此直径所对圆周角为90°。反过来,90°圆周角所对的弦一定是直径。
圆周角相等时,其所对的弧相等,从而弦也相等。角平分线交外接圆时,正是用这个关系得到两条等弧。
两弦相交时的角
弦AB与CD在圆内交于P,则∠APC为弧AC与弧BD度数和的一半。证明时连接AD,把∠APC看成△APD的外角,再将两个圆周角换成半弧。
解题时先把所有角指定为三个字母,注明取哪条不含顶点的弧,再用整圆360°或半圆180°。
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例题 7 · 角度条件确定外心
凸四边形ABCD中,∠BAC=25°,∠BCA=20°,∠BDC=50°,∠BDA=40°。AC、BD相交于P,求∠CPB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
凸四边形ABCD两对角线交于P;A、C处角为25°、20°,D处分角40°、50°。
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95°。
- △ABC的∠ABC=135°。其外心O在AC另一侧;对应圆心角∠AOB=40°、∠BOC=50°,故∠AOC=90°。
- 在直线AB的指定一侧,满足∠AXB=40°的点位于确定圆弧上;满足∠BXC=50°的点同样位于另一确定圆弧上。两圆共有B和O,除B外仅有O,因此D=O。
- DA=DC且∠ADC=90°,所以∠DAC=45°。在△ADP中,∠DAP=45°、∠ADP=40°,得∠APD=95°。它与∠CPB为对顶角,答案95°。
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例题 8 · 两条高所在弦等长
锐角△ABC中,∠BAC=60°。高BE延长交外接圆于B₁,高CF延长交外接圆于C₁。证明BB₁=CC₁。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠BAC=60°,BE、CF为高,其延长线分别交外接圆于B₁、C₁。
查看参考答案与解析
BB₁=CC₁。
- 令AB=c、AC=b,以A为原点,AB为x轴,则B=(c,0)、C=(b/2,√3b/2)。外心O满足OA=OB=OC,得O=(c/2,(2b−c)/(2√3))。
- 高CF垂直AB,其所在直线为x=b/2,所以外心到CF的距离是|c−b|/2。
- AC方向单位向量为(1/2,√3/2)。高BE以此为法向量,外心到BE的距离为|(O−B)·(1/2,√3/2)|=|b−c|/2。等弦心距对应等弦,因此BB₁=CC₁。
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例题 11 · 正方形内的圆周角与长度比
正方形ABCD中心为O,面积1989 cm²,P在正方形内,∠OPB=45°,PA∶PB=5∶14,求PB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正方形ABCD的中心O;P在内部,∠OPB=45°,PA∶PB=5∶14。
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PB=42 cm。
- 把正方形边长暂记为1,A=(0,0)、B=(1,0)、O=(1/2,1/2),P=(x,y)。PA<PB说明x<1/2。
- 满足∠OPB=45°的两段圆弧分别属于圆心(1/2,0)、半径1/2的圆,或圆心(1,1/2)、半径1/2的圆;第二个圆所有点均有x≥1/2。因此P只能位于第一个圆,即以AB为直径的圆上,∠APB=90°。
- 恢复实际长度,设PA=5k,PB=14k。勾股定理得221k²=1989,所以k=3,PB=42 cm。
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例题 13 · 共享顶点的两个正方形共点
如原图,ABCD与A₁B₁C₁D₁都是正方形,A与A₁重合。证明直线BB₁、CC₁、DD₁共点。
原题勘误与整理备注原题:如图的两个正方形;补充:使用印刷图中ABCD和A₁B₁C₁D₁相同的绕行方向与互异顶点,排除使BB₁等无法确定的退化配置;依据:原图点序。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两个同向绕行的正方形共用顶点A=A₁,连接BB₁、CC₁、DD₁。
查看参考答案与解析
原图的非退化配置下,BB₁、CC₁、DD₁共点。
- 两正方形的外接圆共有A,设另一交点为X。原图中两正方形顶点按同一旋转方向排列。
- 在两个圆内,同弦圆周角给出直线XA与XB、XB₁的有向夹角相等(均对应45°),所以B、X、B₁共线;同理D、X、D₁共线。
- 又AC、AC₁都是各自圆的直径,所以XC和XC₁均垂直XA,即C、X、C₁共线。两圆在A相切的非重合极限情形,对应顶点连线均通过A。
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几何 → 圆 → 圆周角与共圆
四个不同点位于同一个圆上叫四点共圆。对按圆周顺序命名的凸四边形ABCD,∠ABC+∠ADC=180°。这里是对角,不是任意两角。
这节学会什么
- 能解释:四点共圆意味着什么
- 能说明并应用:同弦所对角的判据
四点共圆意味着什么
四个不同点位于同一个圆上叫四点共圆。对按圆周顺序命名的凸四边形ABCD,∠ABC+∠ADC=180°。这里是对角,不是任意两角。
同弦所对角的判据
若B、D在AC同侧,∠ABC=∠ADC可作为共圆判据;若在AC异侧,则需要两角互补。位置不同决定取“相等”还是“互补”,否则会把图形方向判断错。
直角是特别好用的入口
若∠APB=∠AQB=90°且P、Q不同于A、B,则P、Q都在以AB为直径的圆上。先找同一条弦AB,再识别两个直角,比盲目找圆心更直接。
跟着做:把方法走一遍
示范:四点共圆意味着什么
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凸四边形ABCD中∠B=75°、∠D=105°,能判断共圆吗?
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能。
- 两对角和180°,满足凸四边形共圆判据。
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自检:四点共圆意味着什么
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∠APB与∠AQB均为90°,对应的圆直径是什么?
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AB。
- 两个直角都对同一条线段AB。
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方法与适用条件
四点不共线且位于同一圆上时,同一条弦同侧的两个圆周角相等;反过来,在相同位置条件下可用这组等角判定四点共圆。
两点到同一线段端点张成直角时,这两点在以该线段为直径的圆上。多组垂足构造中,可先识别这样的直径圆,再转移角度。
从圆的性质到逆向判定
已知A、B、C、D共圆时,同侧同弦圆周角相等,凸四边形对角互补、外角等于不相邻的内角。因为两对角所对的弧合为整圆360°,它们各取半弧,和就是180°。
逆过来,若C、D在AB同侧且∠ACB=∠ADB,四点共圆;若凸四边形一组对角互补,或者一个外角等于其内对角,也可判共圆。必须保证各点互异且相关三点不共线。
为什么等角可以判共圆
先作经过A、B、C的唯一圆。若D不在圆上,直线AD与此圆再交于D′,比较△BDD′中的内角与外角,会与∠ADB=∠ACB矛盾;因此D只能与D′重合。该论证依赖同侧条件,异侧应使用互补。
等距与两个直角
若四个点到同一点O的距离都是同一正数R,则按圆的定义四点在圆O上。讲义“到某个顶点距离相等”整理为“到某个定点距离相等”,这里的O不是这四点之一。
两个直角尤其好用:若∠ADB=∠AEB=90°,D、E都在以AB为直径的圆上。高线的垂足常因此进入同一个圆。
建立之后继续转角
不要在得到共圆后停下。明确下一步要比较哪两个角,再找它们是否对同一条弦。作业11先得到A、E、D、X共圆,再用补角得到A、B、C、X共圆,最终把两个目标角变成对顶角。
有向角按180°比较可统一内外位置,但给学生的具体图形仍应说明共线点序和互补关系。相交弦乘积的逆判定属于下一节点circle_power_products。
进入原讲义例题 · 7
例题 1 · 相等圆周角与四点共圆
四边形ABCD中,AC与BD交于O。若∠1=∠2,求证∠3=∠4。图中∠1=∠CAB,∠2=∠BDC,∠3=∠DBC,∠4=∠DAC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
四点共圆的等角结构;∠1=CAB、∠2=BDC、∠3=DBC、∠4=DAC。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- ∠CAB=∠BDC,两个角的顶点A、D在弦BC同侧,故由同弦所对圆周角相等的逆定理,A、B、C、D共圆。
- 在同一圆中,同弦DC所对的圆周角∠DBC=∠DAC,即∠3=∠4。
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例题 7 · 两组垂足的等距关系
AD、BE是锐角三角形ABC的高,D、E是垂足。D在AB、AC上的射影分别是M、N;E在BC、AB上的射影分别是P、Q。求证QN=PM。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两条高的垂足再向对应两边投影,比较QN与PM。
查看参考答案与解析
QN=PM。
- 记∠ACB=C。由AD⊥BC、DN⊥AC,得到AD=AC·sinC、AN=AD·sinC,所以AN/AC=sin²C。同理由BE⊥AC、EP⊥BC,得BP/BC=sin²C。因此AN/AC=BP/BC,NP∥AB。
- A、M、D、N共圆,所在圆以AD为直径,故∠AMN=∠ADN=C。B、Q、E、P共圆,所在圆以BE为直径,故∠BQP=∠BEP=C。
- 按锐角三角形的垂足位置,Q、M依次位于AB上;设T=MN∩PQ。由上一步,△TMQ的两个底角都为C,故TM=TQ。又NP∥MQ,△TNP与△TMQ相似,所以TN=TP。
- △TQN和△TMP有TQ=TM、TN=TP,且∠QTN=∠MTP为对顶角,故由SAS全等,得到QN=PM。
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例题 7 · 角度条件确定外心
凸四边形ABCD中,∠BAC=25°,∠BCA=20°,∠BDC=50°,∠BDA=40°。AC、BD相交于P,求∠CPB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
凸四边形ABCD两对角线交于P;A、C处角为25°、20°,D处分角40°、50°。
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95°。
- △ABC的∠ABC=135°。其外心O在AC另一侧;对应圆心角∠AOB=40°、∠BOC=50°,故∠AOC=90°。
- 在直线AB的指定一侧,满足∠AXB=40°的点位于确定圆弧上;满足∠BXC=50°的点同样位于另一确定圆弧上。两圆共有B和O,除B外仅有O,因此D=O。
- DA=DC且∠ADC=90°,所以∠DAC=45°。在△ADP中,∠DAP=45°、∠ADP=40°,得∠APD=95°。它与∠CPB为对顶角,答案95°。
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例题 11 · 正方形内的圆周角与长度比
正方形ABCD中心为O,面积1989 cm²,P在正方形内,∠OPB=45°,PA∶PB=5∶14,求PB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正方形ABCD的中心O;P在内部,∠OPB=45°,PA∶PB=5∶14。
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PB=42 cm。
- 把正方形边长暂记为1,A=(0,0)、B=(1,0)、O=(1/2,1/2),P=(x,y)。PA<PB说明x<1/2。
- 满足∠OPB=45°的两段圆弧分别属于圆心(1/2,0)、半径1/2的圆,或圆心(1,1/2)、半径1/2的圆;第二个圆所有点均有x≥1/2。因此P只能位于第一个圆,即以AB为直径的圆上,∠APB=90°。
- 恢复实际长度,设PA=5k,PB=14k。勾股定理得221k²=1989,所以k=3,PB=42 cm。
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例题 12 · 三外接圆的公共点
△ABC中,E、F在最长边BC上,BE=BA、CF=CA,DE∥AB、DF∥AC。证明△ABF、△ACE、△DEF的外接圆交于一点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
B、F、E、C依次共线,BE=BA,CF=CA,DE∥AB、DF∥AC。
查看参考答案与解析
三圆共同经过△ABC的内心I。
- 设I为△ABC的内心,记三个内角为A、B、C,则∠BIA=90°+C/2。由AC=CF得∠AFC=90°−C/2,所以∠BFA=90°+C/2=∠BIA。F与I在AB同侧,故A、B、F、I共圆。
- 同理,AB=BE使∠AEC=90°+B/2,而∠AIC=90°+B/2。因此A、C、E、I共圆。
- 由上述两组共圆,∠FIA=180°−B、∠AIE=180°−C,结合图中射线顺序得∠FIE=360°−∠FIA−∠AIE=B+C=180°−A。
- 又DE∥AB、DF∥AC,在原图位置有∠FDE=A,于是∠FIE+∠FDE=180°,D、E、F、I共圆。三个圆共同经过内心I。
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例题 13 · 共享顶点的两个正方形共点
如原图,ABCD与A₁B₁C₁D₁都是正方形,A与A₁重合。证明直线BB₁、CC₁、DD₁共点。
原题勘误与整理备注原题:如图的两个正方形;补充:使用印刷图中ABCD和A₁B₁C₁D₁相同的绕行方向与互异顶点,排除使BB₁等无法确定的退化配置;依据:原图点序。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两个同向绕行的正方形共用顶点A=A₁,连接BB₁、CC₁、DD₁。
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原图的非退化配置下,BB₁、CC₁、DD₁共点。
- 两正方形的外接圆共有A,设另一交点为X。原图中两正方形顶点按同一旋转方向排列。
- 在两个圆内,同弦圆周角给出直线XA与XB、XB₁的有向夹角相等(均对应45°),所以B、X、B₁共线;同理D、X、D₁共线。
- 又AC、AC₁都是各自圆的直径,所以XC和XC₁均垂直XA,即C、X、C₁共线。两圆在A相切的非重合极限情形,对应顶点连线均通过A。
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例题 14 · 圆内接四边形的垂足分比
四边形ABCD内接于圆,M在线段AB上。MP⊥BC、MQ⊥CD、MR⊥AD,垂足分别P、Q、R。PR交MQ于N。证明PN/NR=BM/MA。
原题勘误与整理备注原题:M是AB上一点且涉及PN/NR、BM/MA;补充:沿用原图M在AB内部及交点、比值有定义的非退化位置;依据:原题分母和原图。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M在AB上;P、Q、R是到BC、CD、AD的垂足;N=PR∩MQ。
查看参考答案与解析
PN/NR=BM/MA。
- 比较△MPN和△MRN,它们在N的角互补,正弦相等。正弦定理给出PN/NR=(MP/MR)·sin∠PMN/sin∠RMN。
- MP=BM·sin∠ABC,MR=MA·sin∠BAD。两组垂线的夹角关系给出sin∠PMN=sin∠BCD,sin∠RMN=sin∠CDA。
- 圆内接四边形对角互补,故sin B=sin D、sin C=sin A。代入即得PN/NR=BM/MA。
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几何 → 圆 → 圆幂、切线与根轴
P在圆内,两弦AB、CD交于P,PA·PB=PC·PD。P在圆外,两割线依近远为P-A-B、P-C-D,也有同样的普通长度乘积。必须是从P到两交点的距离,不能把AB当PB。
这节学会什么
- 能解释:同一点发出的乘积不变
- 能说明并应用:从相似推乘积
同一点发出的乘积不变
P在圆内,两弦AB、CD交于P,PA·PB=PC·PD。P在圆外,两割线依近远为P-A-B、P-C-D,也有同样的普通长度乘积。必须是从P到两交点的距离,不能把AB当PB。
从相似推乘积
内点配置△PAC与△PDB中,P处对顶角相等,∠PAC与∠PDB为同弧BC的圆周角,所以相似;得到PA/PD=PC/PB,交叉相乘即证。外点同理由圆周角找相似。
统一为点的幂
有向乘积等于OP²−R²:沿割线设P到垂足的有向距离为u、半弦长为v,则两交点参数u−v、u+v乘积u²−v²=OP²−R²。圆内普通长度乘积取R²−OP²,故统一有向公式与普通正长度不能混写。
跟着做:把方法走一遍
示范:同一点发出的乘积不变
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圆内两弦交于P,PA=2、PB=6、PC=3,求PD。
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4。
- PA·PB=12,故3PD=12,PD=4。
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圆外P-A-B,PA=3、AB=5;另一割线PC=4,求PD。
查看参考答案与解析
6。
- PB=3+5=8,总乘积24,PD=24/4=6。
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圆内相交弦
若弦AB、CD在P相交,则PA·PB=PC·PD。连接AC、BD,△PAC与△PDB有一组对顶角和一组同弦圆周角,所以相似;对应边比例交叉相乘即得乘积式。
若过P的直径两端为U、V,则PU·PV=R²−OP²,因此任意过P的弦两段之积都是R²−OP²。
圆外割线
P在圆外,射线依次交圆于A、B,另一射线依次交圆于C、D,仍有PA·PB=PC·PD=OP²−R²。这里是“外部一段×整条割线”,不是外部段与圆内段的乘积。
以P为原点、割线为轴,把圆的方程代入可得到一元二次方程,两交点坐标之积就是OP²−R²;用有向线段还能把圆内和圆外公式统一。
乘积逆用判共圆
在两条不同直线上,P、A、C共线且P、B、D共线,若相应有向乘积PA·PC=PB·PD且四点互异,就可判A、B、C、D共圆。讲义中C、D分别在PA、PB线段内部时,两边都是正的长度乘积。
证明:作过A、B、C的圆,令PB直线第二次交圆于D′。由割线定理PB·PD′=PA·PC=PB·PD,结合点序可知D′=D。没有点序时不能只比较绝对长度而忽略方向。
统一定义与正负号
点P对圆(O,r)的幂为PO²−r²。圆外为正,圆上为零,圆内为负。沿同一直线统一定向时,两交点的有向距离乘积等于这个值。
圆内通常用正长度书写PA·PB=PC·PD=r²−PO²;圆外用PA·PB=PC·PD=PT²=PO²−r²,T为切点。不要把内点的正长度乘积误记为PO²−r²。
从相似到乘积
两弦AB、CD交于P时,连接AC、BD,以圆周角相等建立△PAC∽△PDB;对应比PA/PD=PC/PB得到PA·PB=PC·PD。
圆外切线PT与割线PAB,通过弦切角建立△PTA∽△PBT,得到PT/ PB=PA/PT,即PT²=PA·PB。
应用前先列共线次序
外部割线常用整体PB=PA+AB,不能以圆内弦长AB替代PB。圆内交点用两侧的段长,外点用同向的近、远两段。
反向识别:若圆上一点T满足PT²=PA·PB且P在圆外,则PT为切线;例题与作业中的共圆、垂直、定值常由该逆向判断转化。
进入原讲义例题 · 19
例题 3 · 四十五度相交弦的平方和
圆O中,弦CD与直径AB相交于P,∠DPB=45°,半径为R。证明PC²+PD²=2R²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
直径A、P、O、B共线,C、P、D共线,∠DPB=45°。
查看参考答案与解析
PC²+PD²=2R²。
- 设OP=t,作OM⊥CD。因为直径与CD夹角45°,OM²=t²/2。垂径定理给出CD²=4(R²−t²/2)。
- 相交弦定理得PC·PD=PA·PB=R²−t²。因此PC²+PD²=CD²−2PC·PD=2R²。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 9 · 平分对角线与四边平方和
圆内接四边形ABCD中,AC平分BD于E。证明AB²+BC²+CD²+DA²=2AC²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
圆内接四边形ABCD,AC与BD交于E且BE=DE。
查看参考答案与解析
AB²+BC²+CD²+DA²=2AC²。
- BE=DE,由中线公式AB²+AD²=2AE²+2BE²,CB²+CD²=2CE²+2BE²。
- 相交弦定理给出BE²=BE·DE=AE·CE。相加可得四边平方和=2(AE²+CE²+2AE·CE)=2AC²。
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例题 1 · 圆幂(1)·角平分线分段比之和
从圆O外一点M作切线MA,切点A;割线MBC依次交圆于B、C。∠AMC的平分线交AC于E,交AB于D,求DB/AB+EC/AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
从圆O外一点M作切线MA,切点A;割线MBC依次交圆于B、C。∠AMC的平分线交AC于E,交AB于D,求DB/AB+EC/AC。
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1。
- 设MA=x、MB=y、MC=z。切割线定理给x²=yz。角平分线定理分别用于△MAB、△MAC,得到DB/AB=y/(x+y)、EC/AC=z/(x+z)。
- 两式相加,分子为xy+xz+2yz,分母为x²+xy+xz+yz;由x²=yz,两者相等,所以所求值为1。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 3 · 圆幂(1)·切线与六十度分点求角
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
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45°。
- 相似缩放令CD=1、AD=2,则AC=3。切割线定理给AB²=AD·AC=6。记BD=x,在△ADB用余弦定理:6=4+x²−2x,故x=1+√3(另一根为负)。
- 取D=(0,0)、A=(2,0)、C=(−1,0)。由∠ADB=60°可取B=(x/2,√3x/2)。所以tan C=√3x/(2+x)=(3+√3)/(3+√3)=1,且C为锐角,故C=45°。
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例题 10 · 圆幂(1)·等圆幂判定等腰
PAB、QCB是圆O的两条割线,PA·PB=QC·QB。证明△POQ为等腰三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
PAB、QCB是圆O的两条割线,PA·PB=QC·QB。证明△POQ为等腰三角形。
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OP=OQ。
- 设圆半径为r。圆幂定理给PA·PB=OP²−r²、QC·QB=OQ²−r²。由已知得OP²=OQ²,长度均为正,故OP=OQ。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 圆幂(1)·中点与角平分线所定圆
M为△PQR边QR中点,PE平分∠RPQ且交QR于E。过P、E、M的圆分别再交PQ、PR于F、G,证明QF=RG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M为△PQR边QR中点,PE平分∠RPQ且交QR于E。过P、E、M的圆分别再交PQ、PR于F、G,证明QF=RG。
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QF=RG。
- 由Q、R两点的圆幂,QP·QF=QE·QM、RP·RG=RE·RM(按图交点次序)。又QM=RM,角平分线定理给QE/RE=QP/RP。
- 因此QF/RG=(QE/RE)(QM/RM)(RP/QP)=1。题目所述过P、E、M的圆要求三点互异、不共线;特别是PQ=PR导致E=M时此构造不适用。
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例题 12 · 圆幂(1)·切线及轴对称判定共圆
△ABC中AB>BC,外接圆在B处的切线交直线AC于P。D为B关于P的对称点,E为C关于直线BP的对称点。证明四边形ABED内接于圆。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC中AB>BC,外接圆在B处的切线交直线AC于P。D为B关于P的对称点,E为C关于直线BP的对称点。证明四边形ABED内接于圆。
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A、B、E、D共圆。
- 取P=(0,0)、B=(0,t)、D=(0,−t)、C=(x,y),则E=(−x,y),x≠0。令q=x²+y²。A、C、P共线且按图在同一射线上,写A=kC。切割线定理PA·PC=PB²给kq=t²。
- 经过B、D、E的圆方程为X²+Y²+[(q−t²)/x]X−t²=0。将A=(kx,ky)代入,左端为k²q+k(q−t²)−t²=(k+1)(kq−t²)=0。故A也在此圆上。
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例题 13 · 圆幂(1)·交叉弦与外割线的平方恒等式
圆内接四边形ABCD中,AC与BD交于Q,BA与CD交于P。证明PQ²=PA·PB−QB·QD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
圆内接四边形ABCD中,AC与BD交于Q,BA与CD交于P。证明PQ²=PA·PB−QB·QD。
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PQ²=PA·PB−QB·QD。
- 以P为原点,令PA=a、PB=b、PD=d、PC=c,两条割线的单位方向为u、v,u·v=k。圆幂给ab=cd=w。于是A=au、B=bu、D=dv、C=cv。
- Q在AC及BD上,可写Q=xu+yv,其中x/a+y/c=1、x/b+y/d=1。消元得x=ab(c−d)/(bc−ad)、y=cd(b−a)/(bc−ad)。利用ab=cd可验证(a+b)x+(c+d)y=2w。
- 原圆方程可写|X|²−L·X+w=0,其中L·u=a+b、L·v=c+d。因此Q的圆幂=|Q|²−L·Q+w=PQ²−w。Q在圆内,其幂=−QB·QD,移项即得所证。
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例题 14 · 圆幂(1)·接触弦上的调和关系
P在圆O外,PA、PB为切线,PCD为割线,C、D在圆上,CD与AB交于E。证明1/PC+1/PD=2/PE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在圆O外,PA、PB为切线,PCD为割线,C、D在圆上,CD与AB交于E。证明1/PC+1/PD=2/PE。
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1/PC+1/PD=2/PE。
- 取P为原点,O向量为o,圆半径r。记w=|o|²−r²>0,割线单位方向u,PC=c、PD=d。圆方程给t²−2(o·u)t+w=0,故c+d=2o·u、cd=w。
- 切点A满足(P−A)·(O−A)=0,即|A|²=o·A;代入圆方程可得o·A=w,同理o·B=w,所以接触弦AB方程为o·X=w。
- E=eu在AB上,因此e(o·u)=w,得到e=2cd/(c+d),等价于所证倒数关系。
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例题 1 / 作业 5 · 圆幂(2)·双切线交叉图求线段
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
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36√13/13 cm。
- E在以AB为直径的圆上,故AD⊥BC。取A=(0,h)、B=(0,0)、C=(18,h)、D=(8,0)。AD方向(8,−h)、BC方向(18,h)点积为0,给h²=144,即AB=12。
- 在直角△ABD中,BD=8、AB=12,故AD=4√13。BE垂直斜边AD,射影定理给AE·AD=AB²,得到AE=144/(4√13)=36√13/13。
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例题 2 · 圆幂(2)·割线相似与切线长度
ABCD为圆内接四边形,AB=30、CD=50、AD:BC=1:3,延长BA、CD交于E,从E引圆的切线EF,求EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为圆内接四边形,AB=30、CD=50、AD:BC=1:3,延长BA、CD交于E,从E引圆的切线EF,求EF。
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15√21/2。
- 由圆周角及公共角,△EAD∽△ECB,故EA/EC=ED/EB=AD/CB=1/3。记EA=x、ED=y,则EC=3x、EB=3y。
- AB=EB−EA=3y−x=30,CD=EC−ED=3x−y=50,联立得x=45/2、y=35/2。
- 切割线定理EF²=EA·EB=(45/2)(105/2)=4725/4,所以EF=15√21/2。
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例题 3 · 圆幂(2)·两圆交点与正方形分点比
ABCD为边长a的正方形,以D为圆心、DA为半径的圆弧与以BC为直径的半圆另交于P,延长AP交BC于N,求BN/NC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为边长a的正方形,以D为圆心、DA为半径的圆弧与以BC为直径的半圆另交于P,延长AP交BC于N,求BN/NC。
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1/2。
- 缩放a=1,取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(0,1)、D=(1,1)。P=(x,y)满足(x−1)²+(y−1)²=1、x²+y²=x。两式相减得到x+2y=1。
- 代入得到5x²−6x+1=0。x=1对应已知交点C,故P=(1/5,2/5)。AP的方程y=1−3x,与BC交于N=(1/3,0)。因此BN/NC=(1/3)/(2/3)=1/2。
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例题 4 · 圆幂(2)·等边三角形中位线与圆弧
正△ABC中平行BC的中位线所在直线与外接圆弧AB交于K,CK与AB交于P,求AP/BP。
原题勘误与整理备注原题:“中位线和外接圆弧AB交于K”;整理补充:中位线所在直线(延长后)与弧AB交于K;依据:中位线线段位于三角形内部,原图K位于中位线端点F外侧,属于图文一致的数学补充。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正△ABC中平行BC的中位线所在直线与外接圆弧AB交于K,CK与AB交于P,求AP/BP。
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(1+√5)/2。
- 取B=(−1,0)、C=(1,0)、A=(0,√3)。外接圆圆心为(0,√3/3),半径2/√3。中位线为y=√3/2,与弧AB的交点K=(−√5/2,√3/2)。
- 令P=A+t(B−A)=(−t,√3(1−t))。P在CK上,按纵坐标其参数为2(1−t),故−t=1−(√5+2)(1−t)。
- 解得t=(√5+1)/(√5+3),AP/BP=t/(1−t)=(1+√5)/2。
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例题 5 · 圆幂(2)·与正方形边相切的直径圆
ABCD为正方形,F在CD上,O为BF中点,以BF为直径的半圆与AD相切于E。(1)证明E为AD中点;(2)BF=5,求正方形边长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为正方形,F在CD上,O为BF中点,以BF为直径的半圆与AD相切于E。(1)证明E为AD中点;(2)BF=5,求正方形边长。
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(1)E为AD中点;(2)边长4。
- 取B=(0,0)、C=(s,0)、D=(s,s)、A=(0,s)、F=(s,f)。O=(s/2,f/2)。切点E是O到AD的垂足,因此E=(s/2,s),即AD中点。
- 圆半径BF/2=5/2,圆心到AD距离s−f/2也等于5/2,故2s−f=5。同时s²+f²=BF²=25。代入f=2s−5得到5s²−20s=0,s>0故s=4(此时f=3符合在线段CD上)。
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例题 6 · 圆幂(2)·平行切线与割线比例
P在圆O外,PA、PB切圆于A、B。过A作PB的平行线再交圆于C,PC再交圆于E,延长AE交PB于K。证明PE·AC=CE·KB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在圆O外,PA、PB切圆于A、B。过A作PB的平行线再交圆于C,PC再交圆于E,延长AE交PB于K。证明PE·AC=CE·KB。
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PE·AC=CE·KB。
- 先证K为PB中点。缩放PB=PA=1,取P=(0,0)、B=(1,0)、O=(1,r),r>0。圆方程为(X−1)²+(Y−r)²=r²。另一切点A=((1−r²)/(1+r²),2r/(1+r²))。
- AC水平,所以C=((1+3r²)/(1+r²),2r/(1+r²))。切割线定理PE·PC=1,故E=C/|C|²=((1+3r²)/(1+9r²),2r/(1+9r²))。
- 由A、E两点坐标计算直线AE的X轴截距:X_K=(X_A Y_E−X_E Y_A)/(Y_E−Y_A)=1/2。因此PK=KB。
- 由于AC∥PK,△EAC∽△EKP,对应比AC/PK=CE/PE。交叉相乘并用PK=KB,得到PE·AC=CE·KB。
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例题 7 · 圆幂(2)·切线与角平分线的长度乘积
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
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AE²=AF·EF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,CD=b、BD=a+b。角平分线定理BE/EC=c/b,结合EC·BD=BE·BC得c/b=(a+b)/a。
- 切线与割线构成的相似三角形DAB、DCA给DB/DC=(AB/AC)²,即(a+b)/b=c²/b²。与上式合并得到c=a、a²=b(a+b)。
- 角平分线长度公式AE²=bc[1−a²/(b+c)²];它可由△ABE、△ACE面积关系或余弦定理联立推出。代入c=a、a²=b(a+b),得到AE²=b²,所以AE=b。
- BE=a²/(a+b)=b,EC=ab/(a+b)。相交弦定理AE·EF=BE·EC给EF=ab/(a+b)。令t=EF/AE=a/(a+b)=b/a,则t+t²=1。
- AF=AE+EF,故AF·EF=AE²(1+t)t=AE²。
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例题 8 · 圆幂(2)·切割线乘积与斜边四等分
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
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AD⊥BF。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),b,c>0。AG=b/2。A的切割线定理给AF·AC=AG²,故F=(0,b²/(4c))。
- 由BD:DC=4:1,D=(B+4C)/5=(b/5,4c/5)。AD与BF的方向向量分别为(b/5,4c/5)、(−b,b²/(4c)),点积等于−b²/5+b²/5=0,所以垂直。
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例题 9 · 圆幂(2)·垂直平分线与两段长度之和
∠A为△ABC的最小内角,U在外接圆劣弧BC上且异于B、C。AB、AC的垂直平分线分别交线段AU于V、W,直线BV、CW交于T。证明AU=TB+TC。
原题勘误与整理备注原题:“点U是的外接圆的劣弧BC上…”漏写三角形名称;整理补充:“U在△ABC的外接圆劣弧BC上”;依据:本题前句唯一的△ABC及后文BC,属于数学语义补全。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A为△ABC的最小内角,U在外接圆劣弧BC上且异于B、C。AB、AC的垂直平分线分别交线段AU于V、W,直线BV、CW交于T。证明AU=TB+TC。
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AU=TB+TC。
- 记α=∠BAU、β=∠UAC,α+β=A≤60°。取A=(0,0),AU为X轴正向;写B=(c cosα,c sinα)、C=(b cosβ,−b sinβ)。由VA=VB、WA=WC,V=(c/(2cosα),0),W=(b/(2cosβ),0)。
- △ABV、△ACW为等腰三角形,∠ABV=α、∠ACW=β。因为B≥A>α、C≥A>β,BV、CW均为三角形内部射线,交点T在两条射线上。设t=TB>0、s=TC>0,则T=B−t(cos2α,sin2α)=C−s(cos2β,−sin2β)。
- 比较坐标并解线性方程,得到t=[c sin(α+2β)−b sinβ]/sin2A,s=[b sin(2α+β)−c sinα]/sin2A。相加并用正弦和差公式得t+s=(c sinβ+b sinα)/sinA。
- 设AU=l。过A、U的圆方程可写X²+Y²−lX+vY=0。分别代入B、C,得c=l cosα−v sinα、b=l cosβ+v sinβ。乘以sinβ、sinα再相加,得c sinβ+b sinα=l sinA。于是t+s=l,即所证。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 10 · 圆幂(2)·两割线交叉点的定值
P在半径r的圆O外,两条割线PAB、PCD交圆于A、B、C、D,AD、BC交于Q。证明OP²+OQ²−PQ²为定值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在半径r的圆O外,两条割线PAB、PCD交圆于A、B、C、D,AD、BC交于Q。证明OP²+OQ²−PQ²为定值。
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定值为2r²。
- 以P为原点,取两割线单位向量u、v,A=au、B=bu、C=cv、D=dv,且ab=cd=w=OP²−r²。设Q=xu+yv,则x/a+y/d=1、x/b+y/c=1。
- 解得x=ab(d−c)/(bd−ac)、y=cd(b−a)/(bd−ac)。因此(a+b)x+(c+d)y=2w。圆方程为|X−o|²=r²,其中o为O向量;沿两割线比较根和得2o·u=a+b、2o·v=c+d。
- 所以o·Q=w。展开OP²+OQ²−PQ²=|o|²+|Q−o|²−|Q|²=2|o|²−2o·Q=2r²。
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尚未检查 · 暂无错题复习记录
错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 圆 → 圆幂、切线与根轴
一条直线与圆只有一个公共点T时称切线,T为切点。圆心到直线的距离等于半径,所以OT垂直切线;反过来过圆上一点且垂直该半径的直线也是切线。
这节学会什么
- 能解释:切线是相交关系的临界位置
- 能说明并应用:同点两切线与切割线
切线是相交关系的临界位置
一条直线与圆只有一个公共点T时称切线,T为切点。圆心到直线的距离等于半径,所以OT垂直切线;反过来过圆上一点且垂直该半径的直线也是切线。
同点两切线与切割线
圆外点P引两切线PT、PS,两个直角三角形OPT、OPS有公共斜边OP及等半径OT=OS,所以PT=PS。又PT²=OP²−R²,和割线乘积同为点幂,故PT²=PA·PB。
先认整条割线再列式
点序P-A-B时整割线PB=PA+AB,不能写PT²=PA·AB。P在圆上只有本点的一条切线;P在圆内没有实切线,这也与OP²−R²<0不能等于长度平方一致。
弦切角为什么能转成圆周角
切点T处切线垂直OT。连接弦另一端A与圆心,等腰△OTA使底角∠OTA=(180°−∠TOA)/2;切线与弦的对应角为90°−∠OTA=∠TOA/2,恰等于该弦所对圆周角。根据射线方向可能取互补角,证明时先写清三个字母所指的角。
跟着做:把方法走一遍
示范:切线是相交关系的临界位置
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
P-A-B为圆外割线,PA=4、AB=5,求切线PT长。
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6。
- PB=9,点幂PT²=4×9=36。
- 长度取正根6。
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自检:切线是相交关系的临界位置
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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12。
- 直角△OPT中PT²=169−25=144。
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在习题库中打开本题继续提高:讲义中的相关关系与方法
性质与判定
圆心到直线的距离d与半径r比较:d>r相离,d=r相切,d<r相交。证明切线时可验证经过圆上一点且垂直该点半径,或验证圆心到直线距离为r。
弦切角等于同弦对应的圆周角。使用无向角时必须检查两角是否同取锐角或钝角,必要时写互补关系,不能只凭四字母角名替换。
两切线的对称
PA、PB为两切线,OA⊥PA、OB⊥PB;两直角三角形共有OP、半径OA=OB,故全等,得到PA=PB、OP平分∠APB,且OP垂直平分接触弦AB。
直角三角形射影定理给OM·OP=r²(M=AB∩OP),见第一部分例4。
坐标判定
单位圆上切点T=(u,v)的切线方程是uX+vY=1。它来源于半径OT与切线方向垂直,可快速核验切线交点、平行与中点关系,见第一部分例5—6。
进入原讲义例题 · 17
例题 1 · 圆幂(1)·角平分线分段比之和
从圆O外一点M作切线MA,切点A;割线MBC依次交圆于B、C。∠AMC的平分线交AC于E,交AB于D,求DB/AB+EC/AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
从圆O外一点M作切线MA,切点A;割线MBC依次交圆于B、C。∠AMC的平分线交AC于E,交AB于D,求DB/AB+EC/AC。
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1。
- 设MA=x、MB=y、MC=z。切割线定理给x²=yz。角平分线定理分别用于△MAB、△MAC,得到DB/AB=y/(x+y)、EC/AC=z/(x+z)。
- 两式相加,分子为xy+xz+2yz,分母为x²+xy+xz+yz;由x²=yz,两者相等,所以所求值为1。
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例题 2 · 圆幂(1)·过正方形顶点且与边相切的圆
正方形ABCD的对角线AC上有点O。以O为圆心、OA为半径的圆与BC相切于M,与AB、AD分别再交于E、F。(1)证明CD与圆O相切;(2)边长为1,求半径。
原题勘误与整理备注原题:正文只写“对角线上有一点O”,没有指明哪条对角线;整理补充:O在AC上;依据:原图清楚标出O位于AC,属于依据原图补足正文。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正方形ABCD的对角线AC上有点O。以O为圆心、OA为半径的圆与BC相切于M,与AB、AD分别再交于E、F。(1)证明CD与圆O相切;(2)边长为1,求半径。
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(1)CD相切;(2)r=2−√2。
- 对角线AC平分∠BCD,故O到BC与CD的距离相等;前者等于半径,后者也等于半径,所以CD相切。
- 取A=(0,0)、B=(1,0)、C=(1,1)、D=(0,1)、O=(t,t),0<t<1。OA=√2t,到BC距离为1−t。联立√2t=1−t,得t=√2−1,r=√2t=2−√2。
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例题 3 · 圆幂(1)·切线与六十度分点求角
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在△ABC边AC上,AD/CD=2,∠ADB=60°,AB是△BCD外接圆的切线,求∠C。
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45°。
- 相似缩放令CD=1、AD=2,则AC=3。切割线定理给AB²=AD·AC=6。记BD=x,在△ADB用余弦定理:6=4+x²−2x,故x=1+√3(另一根为负)。
- 取D=(0,0)、A=(2,0)、C=(−1,0)。由∠ADB=60°可取B=(x/2,√3x/2)。所以tan C=√3x/(2+x)=(3+√3)/(3+√3)=1,且C为锐角,故C=45°。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 · 圆幂(1)·切点弦与角相等
P在圆O外,PA、PB分别切圆于A、B,OP与AB交于M,C为弧AB上的点。证明∠OPC=∠OCM。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在圆O外,PA、PB分别切圆于A、B,OP与AB交于M,C为弧AB上的点。证明∠OPC=∠OCM。
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∠OPC=∠OCM。
- PA=PB、OA=OB使OP垂直平分AB。直角△OAP中,AM是斜边OP上的高,射影定理给OM·OP=OA²=OC²。
- 因此OM/OC=OC/OP。又∠MOC=∠COP,由两边成比例及夹角相等,△OMC∽△OCP,对应角得∠OCM=∠OPC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 5 · 圆幂(1)·三切线图中的中点
AB为圆O直径,AC、BF均为切线,CF切圆于D。DE⊥AB,分别交AB、BC于E、G。证明DG=GE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB为圆O直径,AC、BF均为切线,CF切圆于D。DE⊥AB,分别交AB、BC于E、G。证明DG=GE。
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DG=GE。
- 缩放圆为单位圆,取O=(0,0)、A=(−1,0)、B=(1,0)、C=(−1,c)、D=(x,y),按图y>0。D处切线方程为xX+yY=1,C在其上,所以cy=1+x。
- BC上横坐标为x的点G纵坐标为c(1−x)/2=(1+x)(1−x)/(2y)=y/2(用x²+y²=1)。E=(x,0),D=(x,y),故G为DE中点。
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例题 6 · 圆幂(1)·内切圆切线与平行
正方形ABCD的内切圆分别切BC、CD、DA、AB于M、N、P、Q。EF为圆的切线,E、F分别在线段PD、DN上。证明BE∥FM。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正方形ABCD的内切圆分别切BC、CD、DA、AB于M、N、P、Q。EF为圆的切线,E、F分别在线段PD、DN上。证明BE∥FM。
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BE∥FM。
- 设B=(0,0)、C=(1,0)、D=(1,1)、A=(0,1),E=(e,1)、F=(1,f),1/2≤e,f≤1。切线长定理给EF=EP+FN=e+f−1。
- 勾股定理给EF²=(1−e)²+(1−f)²。展开相等两式,得到2ef=1。M=(1/2,0),故BE斜率1/e,FM斜率2f,两者相同。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 11 · 圆幂(1)·中点与角平分线所定圆
M为△PQR边QR中点,PE平分∠RPQ且交QR于E。过P、E、M的圆分别再交PQ、PR于F、G,证明QF=RG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M为△PQR边QR中点,PE平分∠RPQ且交QR于E。过P、E、M的圆分别再交PQ、PR于F、G,证明QF=RG。
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QF=RG。
- 由Q、R两点的圆幂,QP·QF=QE·QM、RP·RG=RE·RM(按图交点次序)。又QM=RM,角平分线定理给QE/RE=QP/RP。
- 因此QF/RG=(QE/RE)(QM/RM)(RP/QP)=1。题目所述过P、E、M的圆要求三点互异、不共线;特别是PQ=PR导致E=M时此构造不适用。
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例题 12 · 圆幂(1)·切线及轴对称判定共圆
△ABC中AB>BC,外接圆在B处的切线交直线AC于P。D为B关于P的对称点,E为C关于直线BP的对称点。证明四边形ABED内接于圆。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC中AB>BC,外接圆在B处的切线交直线AC于P。D为B关于P的对称点,E为C关于直线BP的对称点。证明四边形ABED内接于圆。
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A、B、E、D共圆。
- 取P=(0,0)、B=(0,t)、D=(0,−t)、C=(x,y),则E=(−x,y),x≠0。令q=x²+y²。A、C、P共线且按图在同一射线上,写A=kC。切割线定理PA·PC=PB²给kq=t²。
- 经过B、D、E的圆方程为X²+Y²+[(q−t²)/x]X−t²=0。将A=(kx,ky)代入,左端为k²q+k(q−t²)−t²=(k+1)(kq−t²)=0。故A也在此圆上。
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例题 1 / 作业 5 · 圆幂(2)·双切线交叉图求线段
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
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36√13/13 cm。
- E在以AB为直径的圆上,故AD⊥BC。取A=(0,h)、B=(0,0)、C=(18,h)、D=(8,0)。AD方向(8,−h)、BC方向(18,h)点积为0,给h²=144,即AB=12。
- 在直角△ABD中,BD=8、AB=12,故AD=4√13。BE垂直斜边AD,射影定理给AE·AD=AB²,得到AE=144/(4√13)=36√13/13。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 2 · 圆幂(2)·割线相似与切线长度
ABCD为圆内接四边形,AB=30、CD=50、AD:BC=1:3,延长BA、CD交于E,从E引圆的切线EF,求EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为圆内接四边形,AB=30、CD=50、AD:BC=1:3,延长BA、CD交于E,从E引圆的切线EF,求EF。
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15√21/2。
- 由圆周角及公共角,△EAD∽△ECB,故EA/EC=ED/EB=AD/CB=1/3。记EA=x、ED=y,则EC=3x、EB=3y。
- AB=EB−EA=3y−x=30,CD=EC−ED=3x−y=50,联立得x=45/2、y=35/2。
- 切割线定理EF²=EA·EB=(45/2)(105/2)=4725/4,所以EF=15√21/2。
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例题 3 · 圆幂(2)·两圆交点与正方形分点比
ABCD为边长a的正方形,以D为圆心、DA为半径的圆弧与以BC为直径的半圆另交于P,延长AP交BC于N,求BN/NC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为边长a的正方形,以D为圆心、DA为半径的圆弧与以BC为直径的半圆另交于P,延长AP交BC于N,求BN/NC。
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1/2。
- 缩放a=1,取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(0,1)、D=(1,1)。P=(x,y)满足(x−1)²+(y−1)²=1、x²+y²=x。两式相减得到x+2y=1。
- 代入得到5x²−6x+1=0。x=1对应已知交点C,故P=(1/5,2/5)。AP的方程y=1−3x,与BC交于N=(1/3,0)。因此BN/NC=(1/3)/(2/3)=1/2。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 4 · 圆幂(2)·等边三角形中位线与圆弧
正△ABC中平行BC的中位线所在直线与外接圆弧AB交于K,CK与AB交于P,求AP/BP。
原题勘误与整理备注原题:“中位线和外接圆弧AB交于K”;整理补充:中位线所在直线(延长后)与弧AB交于K;依据:中位线线段位于三角形内部,原图K位于中位线端点F外侧,属于图文一致的数学补充。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
正△ABC中平行BC的中位线所在直线与外接圆弧AB交于K,CK与AB交于P,求AP/BP。
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(1+√5)/2。
- 取B=(−1,0)、C=(1,0)、A=(0,√3)。外接圆圆心为(0,√3/3),半径2/√3。中位线为y=√3/2,与弧AB的交点K=(−√5/2,√3/2)。
- 令P=A+t(B−A)=(−t,√3(1−t))。P在CK上,按纵坐标其参数为2(1−t),故−t=1−(√5+2)(1−t)。
- 解得t=(√5+1)/(√5+3),AP/BP=t/(1−t)=(1+√5)/2。
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例题 5 · 圆幂(2)·与正方形边相切的直径圆
ABCD为正方形,F在CD上,O为BF中点,以BF为直径的半圆与AD相切于E。(1)证明E为AD中点;(2)BF=5,求正方形边长。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
ABCD为正方形,F在CD上,O为BF中点,以BF为直径的半圆与AD相切于E。(1)证明E为AD中点;(2)BF=5,求正方形边长。
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(1)E为AD中点;(2)边长4。
- 取B=(0,0)、C=(s,0)、D=(s,s)、A=(0,s)、F=(s,f)。O=(s/2,f/2)。切点E是O到AD的垂足,因此E=(s/2,s),即AD中点。
- 圆半径BF/2=5/2,圆心到AD距离s−f/2也等于5/2,故2s−f=5。同时s²+f²=BF²=25。代入f=2s−5得到5s²−20s=0,s>0故s=4(此时f=3符合在线段CD上)。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 圆幂(2)·平行切线与割线比例
P在圆O外,PA、PB切圆于A、B。过A作PB的平行线再交圆于C,PC再交圆于E,延长AE交PB于K。证明PE·AC=CE·KB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在圆O外,PA、PB切圆于A、B。过A作PB的平行线再交圆于C,PC再交圆于E,延长AE交PB于K。证明PE·AC=CE·KB。
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PE·AC=CE·KB。
- 先证K为PB中点。缩放PB=PA=1,取P=(0,0)、B=(1,0)、O=(1,r),r>0。圆方程为(X−1)²+(Y−r)²=r²。另一切点A=((1−r²)/(1+r²),2r/(1+r²))。
- AC水平,所以C=((1+3r²)/(1+r²),2r/(1+r²))。切割线定理PE·PC=1,故E=C/|C|²=((1+3r²)/(1+9r²),2r/(1+9r²))。
- 由A、E两点坐标计算直线AE的X轴截距:X_K=(X_A Y_E−X_E Y_A)/(Y_E−Y_A)=1/2。因此PK=KB。
- 由于AC∥PK,△EAC∽△EKP,对应比AC/PK=CE/PE。交叉相乘并用PK=KB,得到PE·AC=CE·KB。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 圆幂(2)·切线与角平分线的长度乘积
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
过A作△ABC外接圆切线交BC延长线于D,∠BAC平分线交BC于E、交圆于F。AC=CD,EC·BD=BE·BC,证明AE²=AF·EF。
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AE²=AF·EF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,CD=b、BD=a+b。角平分线定理BE/EC=c/b,结合EC·BD=BE·BC得c/b=(a+b)/a。
- 切线与割线构成的相似三角形DAB、DCA给DB/DC=(AB/AC)²,即(a+b)/b=c²/b²。与上式合并得到c=a、a²=b(a+b)。
- 角平分线长度公式AE²=bc[1−a²/(b+c)²];它可由△ABE、△ACE面积关系或余弦定理联立推出。代入c=a、a²=b(a+b),得到AE²=b²,所以AE=b。
- BE=a²/(a+b)=b,EC=ab/(a+b)。相交弦定理AE·EF=BE·EC给EF=ab/(a+b)。令t=EF/AE=a/(a+b)=b/a,则t+t²=1。
- AF=AE+EF,故AF·EF=AE²(1+t)t=AE²。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 圆幂(2)·切割线乘积与斜边四等分
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
查看参考答案与解析
AD⊥BF。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),b,c>0。AG=b/2。A的切割线定理给AF·AC=AG²,故F=(0,b²/(4c))。
- 由BD:DC=4:1,D=(B+4C)/5=(b/5,4c/5)。AD与BF的方向向量分别为(b/5,4c/5)、(−b,b²/(4c)),点积等于−b²/5+b²/5=0,所以垂直。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 9 · 圆幂(2)·垂直平分线与两段长度之和
∠A为△ABC的最小内角,U在外接圆劣弧BC上且异于B、C。AB、AC的垂直平分线分别交线段AU于V、W,直线BV、CW交于T。证明AU=TB+TC。
原题勘误与整理备注原题:“点U是的外接圆的劣弧BC上…”漏写三角形名称;整理补充:“U在△ABC的外接圆劣弧BC上”;依据:本题前句唯一的△ABC及后文BC,属于数学语义补全。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A为△ABC的最小内角,U在外接圆劣弧BC上且异于B、C。AB、AC的垂直平分线分别交线段AU于V、W,直线BV、CW交于T。证明AU=TB+TC。
查看参考答案与解析
AU=TB+TC。
- 记α=∠BAU、β=∠UAC,α+β=A≤60°。取A=(0,0),AU为X轴正向;写B=(c cosα,c sinα)、C=(b cosβ,−b sinβ)。由VA=VB、WA=WC,V=(c/(2cosα),0),W=(b/(2cosβ),0)。
- △ABV、△ACW为等腰三角形,∠ABV=α、∠ACW=β。因为B≥A>α、C≥A>β,BV、CW均为三角形内部射线,交点T在两条射线上。设t=TB>0、s=TC>0,则T=B−t(cos2α,sin2α)=C−s(cos2β,−sin2β)。
- 比较坐标并解线性方程,得到t=[c sin(α+2β)−b sinβ]/sin2A,s=[b sin(2α+β)−c sinα]/sin2A。相加并用正弦和差公式得t+s=(c sinβ+b sinα)/sinA。
- 设AU=l。过A、U的圆方程可写X²+Y²−lX+vY=0。分别代入B、C,得c=l cosα−v sinα、b=l cosβ+v sinβ。乘以sinβ、sinα再相加,得c sinβ+b sinα=l sinA。于是t+s=l,即所证。
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长期追踪
尚未检查 · 暂无错题复习记录
错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 圆 → 圆幂、切线与根轴
三角形内切圆分别切AB、BC、CA。由同点两切线等长,A出发两段都记x,B出发记y,C出发记z。于是三边为x+y、y+z、z+x。
这节学会什么
- 能解释:内切圆把边长拆成成对相等段
- 能说明并应用:半周长为什么自然出现
内切圆把边长拆成成对相等段
三角形内切圆分别切AB、BC、CA。由同点两切线等长,A出发两段都记x,B出发记y,C出发记z。于是三边为x+y、y+z、z+x。
半周长为什么自然出现
设a=BC、b=CA、c=AB,半周长s=(a+b+c)/2=x+y+z。故A出发切线段x=s−a,B出发为s−b,C出发为s−c。对应的是该顶点的对边,别把s−a配到B。
连圆心得到面积公式
连接内心I到三顶点,把三角形拆成三块,每块对原边的高都是内切圆半径r。总面积S=(a+b+c)r/2=sr,因此r=S/s。三角形不等式保证各切线段为正。
跟着做:把方法走一遍
示范:内切圆把边长拆成成对相等段
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
三角形三边a=13、b=14、c=15,求A出发的切线段长。
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8。
- s=(13+14+15)/2=21,A出发长s−a=8。
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自检:内切圆把边长拆成成对相等段
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1。
- 面积6、半周长6,所以r=S/s=1。
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切点分段
在△ABC中记a=BC、b=CA、c=AB、s=(a+b+c)/2,内切圆切BC、CA、AB于D、E、F。同一顶点的切线长相等,所以AE=AF=s−a,BD=BF=s−b,CE=CD=s−c。
推导:设三组切线长为x、y、z,则c=x+y、a=y+z、b=x+z;加减三式即可得到各半周长差。原印刷知识9(1)写“AB、BC、CE”,其中CE应为CA;本处按完整三边与切点定义作数学订正。
面积与半径
连接内心与三顶点,将原三角形分为三块,每块以一边为底、高为r,故S=r(a+b+c)/2=rs。
直角三角形两直角边a、b、斜边c的内切圆半径r=(a+b−c)/2;由S=ab/2、s=(a+b+c)/2及a²+b²=c²也可推出。
等号与多解
第一部分例8将AB·AC=2BD·DC化为勾股关系;例9借S=rs把三高条件化成(a+b+c)(1/a+1/b+1/c)=9,再用a/b+b/a≥2判定等边。
进入原讲义例题 · 3
例题 7 · 圆幂(1)·接触弦的垂线平分角
△ABC的内切圆分别切BC、CA、AB于D、E、F,作DG⊥EF于G。证明DG平分∠BGC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC的内切圆分别切BC、CA、AB于D、E、F,作DG⊥EF于G。证明DG平分∠BGC。
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DG平分∠BGC。
- 下面用坐标严格核验长度比,再用角平分线逆定理。缩放内切圆为单位圆,取圆心为原点、D=(0,−1)、B=(b,−1)、C=(c,−1),b<0<c。
- B处另一切线AB的方程是2bX+(b²−1)Y=b²+1,AC相应为2cX+(c²−1)Y=c²+1。联立得到A=((b+c)/(bc+1),(bc−1)/(bc+1)),所以其接触弦EF方程为(b+c)X+(bc−1)Y=bc+1。
- 令H=(b²+1)(c²+1)=(b+c)²+(bc−1)²。D到此直线的垂足为G=(2bc(b+c)/H,−1+2bc(bc−1)/H)。展开距离平方得GB²=b²(H−4bc)/H,GC²=c²(H−4bc)/H。
- 因此GB/GC=−b/c=BD/DC。D位于BC内部,角平分线定理的逆定理说明GD是△GBC在G处的内角平分线。
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例题 8 · 圆幂(1)·切线长乘积判定直角
I为△ABC内心,ID⊥BC于D,AB·AC=2BD·DC。证明AB⊥AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
I为△ABC内心,ID⊥BC于D,AB·AC=2BD·DC。证明AB⊥AC。
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∠A=90°。
- 记a=BC、b=CA、c=AB、s=(a+b+c)/2。由切线长定理,BD=s−b、DC=s−c。
- 条件等价于bc=2(s−b)(s−c)=[a²−(b−c)²]/2。移项整理得到a²=b²+c²,由勾股逆定理,∠A=90°。
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例题 9 · 圆幂(1)·三高之和的等号条件
△ABC内切圆半径为r,三边上的高为h_a、h_b、h_c,且h_a+h_b+h_c=9r。证明△ABC为正三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC内切圆半径为r,三边上的高为h_a、h_b、h_c,且h_a+h_b+h_c=9r。证明△ABC为正三角形。
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△ABC为正三角形。
- 记三边为a、b、c,面积S=rs,其中s=(a+b+c)/2。高h_a=2S/a,循环相加并约去r,条件给(a+b+c)(1/a+1/b+1/c)=9。
- 左边=3+(a/b+b/a)+(b/c+c/b)+(c/a+a/c)≥3+2+2+2=9,每一括号等号当且仅当对应两边相等。既然总和取等号,必有a=b=c。
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长期追踪
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几何 → 圆 → 圆幂、切线与根轴
圆O₁、O₂对点P的幂分别为|P−O₁|²−R₁²与|P−O₂|²−R₂²。相减时|P|²消去,剩下关于P坐标的一次式,因此不同圆心的等幂点组成一条直线,称根轴。
这节学会什么
- 能解释:幂相等为何得到直线
- 能说明并应用:根轴方向与交弦
幂相等为何得到直线
圆O₁、O₂对点P的幂分别为|P−O₁|²−R₁²与|P−O₂|²−R₂²。相减时|P|²消去,剩下关于P坐标的一次式,因此不同圆心的等幂点组成一条直线,称根轴。
根轴方向与交弦
一次式的法向量平行O₁O₂,所以根轴垂直两圆心连线。两圆相交时,两公共点对两圆幂都为0,因此公共弦所在直线就是根轴;不相交的两圆也有根轴。
同心圆是必须单列的边界
同心而半径不等时,幂之差为非零常数,没有等幂点;两圆完全重合时平面每点等幂,不能称唯一根轴。三个圆的等幂关系具有传递性,非平行根轴会共点,平行情形不能擅自改成有限共点。
跟着做:把方法走一遍
示范:幂相等为何得到直线
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两圆圆心(0,0)、(4,0),半径同为3,求根轴。
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x=2。
- 等幂给x²+y²−9=(x−4)²+y²−9。
- 消去平方项得8x=16,即x=2。
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自检:幂相等为何得到直线
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没有等幂点。
- 两幂之差固定为25−4=21,不可能为0。
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从直线参数到根与系数
以P为原点,圆心向量o、半径r,直线上点X=tu且|u|=1,圆方程变成t²−2(o·u)t+|o|²−r²=0。两交点参数的和为2o·u、积为P的圆幂。
圆幂相同的两外点与圆心等距,第一部分例10直接利用PO²−r²=QO²−r²。
接触弦与交叉点
若P外两条切线接触于A、B,记w=|o|²−r²,接触弦方程为o·X=w。割线上的交点E满足PE=2PC·PD/(PC+PD),这就是第一部分例14的调和关系。
两条割线的交叉连线交点Q满足o·Q=w,因此OP²+OQ²−PQ²=2r²。证明时需由两条直线方程展开求出Q,不能只引用“计算可得”,见第二部分例10。
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例题 10 · 圆幂(1)·等圆幂判定等腰
PAB、QCB是圆O的两条割线,PA·PB=QC·QB。证明△POQ为等腰三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
PAB、QCB是圆O的两条割线,PA·PB=QC·QB。证明△POQ为等腰三角形。
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OP=OQ。
- 设圆半径为r。圆幂定理给PA·PB=OP²−r²、QC·QB=OQ²−r²。由已知得OP²=OQ²,长度均为正,故OP=OQ。
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例题 13 · 圆幂(1)·交叉弦与外割线的平方恒等式
圆内接四边形ABCD中,AC与BD交于Q,BA与CD交于P。证明PQ²=PA·PB−QB·QD。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
圆内接四边形ABCD中,AC与BD交于Q,BA与CD交于P。证明PQ²=PA·PB−QB·QD。
查看参考答案与解析
PQ²=PA·PB−QB·QD。
- 以P为原点,令PA=a、PB=b、PD=d、PC=c,两条割线的单位方向为u、v,u·v=k。圆幂给ab=cd=w。于是A=au、B=bu、D=dv、C=cv。
- Q在AC及BD上,可写Q=xu+yv,其中x/a+y/c=1、x/b+y/d=1。消元得x=ab(c−d)/(bc−ad)、y=cd(b−a)/(bc−ad)。利用ab=cd可验证(a+b)x+(c+d)y=2w。
- 原圆方程可写|X|²−L·X+w=0,其中L·u=a+b、L·v=c+d。因此Q的圆幂=|Q|²−L·Q+w=PQ²−w。Q在圆内,其幂=−QB·QD,移项即得所证。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 14 · 圆幂(1)·接触弦上的调和关系
P在圆O外,PA、PB为切线,PCD为割线,C、D在圆上,CD与AB交于E。证明1/PC+1/PD=2/PE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在圆O外,PA、PB为切线,PCD为割线,C、D在圆上,CD与AB交于E。证明1/PC+1/PD=2/PE。
查看参考答案与解析
1/PC+1/PD=2/PE。
- 取P为原点,O向量为o,圆半径r。记w=|o|²−r²>0,割线单位方向u,PC=c、PD=d。圆方程给t²−2(o·u)t+w=0,故c+d=2o·u、cd=w。
- 切点A满足(P−A)·(O−A)=0,即|A|²=o·A;代入圆方程可得o·A=w,同理o·B=w,所以接触弦AB方程为o·X=w。
- E=eu在AB上,因此e(o·u)=w,得到e=2cd/(c+d),等价于所证倒数关系。
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例题 10 · 圆幂(2)·两割线交叉点的定值
P在半径r的圆O外,两条割线PAB、PCD交圆于A、B、C、D,AD、BC交于Q。证明OP²+OQ²−PQ²为定值。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在半径r的圆O外,两条割线PAB、PCD交圆于A、B、C、D,AD、BC交于Q。证明OP²+OQ²−PQ²为定值。
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定值为2r²。
- 以P为原点,取两割线单位向量u、v,A=au、B=bu、C=cv、D=dv,且ab=cd=w=OP²−r²。设Q=xu+yv,则x/a+y/d=1、x/b+y/c=1。
- 解得x=ab(d−c)/(bd−ac)、y=cd(b−a)/(bd−ac)。因此(a+b)x+(c+d)y=2w。圆方程为|X−o|²=r²,其中o为O向量;沿两割线比较根和得2o·u=a+b、2o·v=c+d。
- 所以o·Q=w。展开OP²+OQ²−PQ²=|o|²+|Q−o|²−|Q|²=2|o|²−2o·Q=2r²。
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几何 → 圆 → 圆内接四边形的长度与面积
凸四边形ABCD按圆周顺序内接于同一圆,托勒密定理为AC·BD=AB·CD+BC·AD:两对角线乘积等于两组对边乘积之和。一般四边形不一定取等,不能只看到四边就套公式。
这节学会什么
- 能解释:把圆内接条件变成长度乘积
- 能说明并应用:在一条对角线上拆出两个乘积
把圆内接条件变成长度乘积
凸四边形ABCD按圆周顺序内接于同一圆,托勒密定理为AC·BD=AB·CD+BC·AD:两对角线乘积等于两组对边乘积之和。一般四边形不一定取等,不能只看到四边就套公式。
在一条对角线上拆出两个乘积
在AC内部取K,使∠ABK=∠DBC。圆周角给∠BAK=∠BDC,因此△ABK∽△DBC,得AK·BD=AB·CD。又∠KBC=∠ABD、∠KCB=∠ADB,所以△KBC∽△ABD,得KC·BD=BC·AD。两式相加,用AK+KC=AC即证。
选哪一条边求解
先把两对角线与四边分清,写对应式再代数值。若已知对称结构令两对角线等长,可把乘积变成平方;若没有等长依据,不能把AC·BD写成AC²。
跟着做:把方法走一遍
示范:把圆内接条件变成长度乘积
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AC·BD=25,两对角线均为5。
- 矩形对角互补,故共圆。
- 对边乘积和3²+4²=25;矩形两对角线相等,故各长√25=5。
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2√2。
- 两对角线相等,d²=2²+2²=8,取正根。
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例题 6 · 四边形的托勒密与平方和不等式
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
凸四边形及两条对角线,中点M、N用于平方和恒等式。
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AC·BD≤AB·CD+AD·BC;AC²+BD²≤AB²+BC²+CD²+DA²。
- 托勒密不等式为AC·BD≤AB·CD+AD·BC。作辅助点X使△ABX∽△ACD,并使∠XAD=∠BAC;则BX=AB·CD/AC,XD=AD·BC/AC。由BD≤BX+XD,乘AC即得不等式。
- 平方和不等式为AC²+BD²≤AB²+BC²+CD²+DA²。令M、N分别为AC、BD中点;两次应用中线长公式并相加,得到AB²+BC²+CD²+DA²=AC²+BD²+4MN²。
- 由MN²≥0即得平方和不等式;等号当且仅当M=N,即四边形为平行四边形。
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提高
圆内接四边形面积:婆罗摩笈多公式
几何 → 圆 → 圆内接四边形的长度与面积
圆内接凸四边形四边按顺序为a、b、c、d,半周长s=(a+b+c+d)/2,面积S=√((s−a)(s−b)(s−c)(s−d))。任意四边形在边长固定时还可改变角度,面积不固定。
这节学会什么
- 能解释:只有圆内接条件才能只靠四边
- 能说明并应用:从两块三角形面积推起
只有圆内接条件才能只靠四边
圆内接凸四边形四边按顺序为a、b、c、d,半周长s=(a+b+c+d)/2,面积S=√((s−a)(s−b)(s−c)(s−d))。任意四边形在边长固定时还可改变角度,面积不固定。
从两块三角形面积推起
沿AC切开,角B与D互补,所以S=(ab+cd)sinB/2。两次余弦定理使用同一AC,给cosB=(a²+b²−c²−d²)/(2(ab+cd))。代入sin²B=1−cos²B,得到16S²=4(ab+cd)²−(a²+b²−c²−d²)²。
平方差因式分解
把上一式作为平方差分解,四因子为a+b+c−d、a+b−c+d、a−b+c+d、−a+b+c+d,分别是2(s−d)、2(s−c)、2(s−b)、2(s−a)。约去16后开正平方根,就得到面积公式。非退化凸圆内接条件保证这些量为正。
跟着做:把方法走一遍
示范:只有圆内接条件才能只靠四边
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12。
- 半周长7,面积平方(7−3)(7−4)(7−3)(7−4)=144。
- 面积取正根12。
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自检:只有圆内接条件才能只靠四边
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不能;共圆菱形才必须是正方形。
- 一般菱形面积为16sinθ,随夹角改变;只有直角时为16。
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几何 → 坐标与向量方法
点P在线段AB内部且AP:PB=m:n,可写P=(nA+mB)/(m+n),这里大写点代表坐标或位置向量。靠A的系数是n,不能凭字母顺序记反。
这节学会什么
- 能解释:用一个参数表示一条线
- 能说明并应用:交点就是两个表示相同
用一个参数表示一条线
点P在线段AB内部且AP:PB=m:n,可写P=(nA+mB)/(m+n),这里大写点代表坐标或位置向量。靠A的系数是n,不能凭字母顺序记反。
交点就是两个表示相同
同一点若也在线CD上,可同时写P=A+t(B−A)=C+s(D−C)。比较两个坐标得到两条一次方程,解出t、s;0<t<1说明位于AB内部。
斜坐标能算哪些事
只涉及共线、平行与分比时可以沿两条不平行边选基,计算很短。但长度、角度、垂直还需要基的度量信息,不能套正交距离公式。
跟着做:把方法走一遍
示范:用一个参数表示一条线
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A=(0,0),B=(9,3),AP:PB=1:2,求P。
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(3,1)。
- P从A走向B的1/3处,所以P=A+(B−A)/3。
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自检:用一个参数表示一条线
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不在,在越过B的延长线上。
- 内部要求参数介于0和1;这里为2。
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先分清允许保留的量
斜坐标或仿射表示能保留共线、平行、中点和同一直线的比,但一般不保留角度、垂直及跨方向的长度。例题2、10、12只用前一类关系,可以采用斜坐标。
角度命题用直角坐标
例题3以高AD为竖轴,用直角坐标比较DE、DF的方向;例题4、8通过反射方向证明角关系,不能用任意斜坐标的斜率比较欧氏角度。
交点计算后回到几何结论
每个交点必须同时满足其两条定义直线。坐标比例得出后,需说明为何它等价于原题所求线段比、角或共点,不以一串未解释公式作为结论。
方法与使用条件
斜坐标基向量无需垂直;坐标分解只用于共线、平行、截比。
计算欧氏长度时必须检查基向量是否单位以及夹角,不能直接用直角坐标距离公式。
区分工具能保留的量
例7、9可使用斜坐标,因为只比较平行、共线或同一直线上的比例。例8涉及垂直,必须用欧氏向量数量积;例11、12涉及圆或角度,用直角坐标。
每次求交点应同时满足两条定义直线,再把坐标结果翻译为原题的共线、相似、面积比或数值。
分点与面积
B为原点、A=u、C=v时,F=αu+βv到AB的高是C到AB的高的|β|倍;因此S△ABF/S△ABC=|β|。例2将两个小三角形面积相加求四边形面积。
垂直与平方差
两向量点积为0等价于垂直。恒等式|C−P|²−|B−P|²=|C|²−|B|²−2P·(C−B)把平方和问题转成垂直问题,见例7。
进入原讲义例题 · 22
例题 2 · 共点线束中的中点关系
如图,D、E分别是△ABC的边BC、AB上的点,AD、CE交于F,BF、DE交于G。过G作BC的平行线分别交AB、CE、AC于M、H、N。求证:GH=NH。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD、CE交F,BF、DE交G;过G的BC平行线依次交AB、CE、AC于M、H、N。
查看参考答案与解析
GH=NH。
- 给出只使用共线与平行比的仿射坐标证明。取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(0,1)作为斜坐标基准;令D=(d,0)、E=(0,e),其中0<d,e<1。
- 由AD与CE的方程x/d+y=1、ex+y=e,得F=(d(1−e)/(1−de), e(1−d)/(1−de))。直线BF与DE相交,DE方程ex+dy=de,代入BF上的比例得G=(d(1−e)/(2−d−e), e(1−d)/(2−d−e))。
- 令G的纵坐标为g,则N=(1−g,g),H=(1−g/e,g)。因此HN=g(1/e−1)。由G的坐标计算HG=1−g/e−d(1−e)/(2−d−e)= (1−d)(1−e)/(2−d−e),而HN同样等于该式。
- 斜坐标中同一条平行于BC的直线上,横坐标差代表相同基准下的线段比,故GH=HN。
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例题 3 · 高线上交点与角度对称
如图,H是△ABC的高AD上的任一点,BH、CH分别交AC、AB于E、F。求证:∠EDH=∠FDH。
原题勘误与整理备注原文:“高AD上的任一点”;整理:保留原图D在BC内部、H在AD内部的非退化位置。依据:原题图;H取A或D会使所求角退化。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD⊥BC,H在AD内部;BH交AC于E、CH交AB于F,并连接DE、DF。
查看参考答案与解析
∠EDH=∠FDH(按原图H在AD内部)。
- 按原图设D=(0,0)、A=(0,a)、B=(−b,0)、C=(c,0)、H=(0,h),其中a,b,c>0、0<h<a。
- 联立BH与AC,得E=(bc(a−h)/(ch+ab), ah(b+c)/(ch+ab));同理F=(−bc(a−h)/(bh+ac), ah(b+c)/(bh+ac))。
- E、F的纵坐标均为正,且x_E/y_E=−x_F/y_F=bc(a−h)/(ah(b+c))。所以DE和DF关于竖直线DH对称,二者与DH所成的角相等。
- H=A或D时原题的部分射线、交点角度退化,不在有意义的角度命题范围内。
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例题 4 · 梯形中点连线与互补角
梯形ABCD中,对角线AC和腰BC相等,M是底边AB的中点,P是腰AD延长线上的点,PM交BD于N。求证:∠ACP+∠BCN=180°。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB∥CD且AC=BC;M为AB中点,A-D-P共线,PM交BD于N。
查看参考答案与解析
∠ACP+∠BCN=180°。
- 因为AC=BC且M为AB中点,所以CM⊥AB。缩放后取A=(−1,0)、B=(1,0)、C=(0,h)、M=(0,0)。由CD∥AB,D的纵坐标是h。
- 设P=(p,q),按图P在AD越过D的延长线上,故q>h。由A、D、P共线可得D=(h(p+1)/q−1,h)。联立PM与BD,得N=(hp/(2q−h),hq/(2q−h))。
- 因此向量CN=h/(2q−h)·(p,h−q),而CP=(p,q−h),正比例系数说明CN的方向正是CP关于过C且平行AB的直线的反射方向。
- 同一反射将CA的方向变为CB的反方向。因此∠ACP等于CB反向射线与CN所成的角,与∠BCN互补。
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例题 8 · 矩形中的角平分线
M、N分别是矩形的边AD、BC的中点,在边CD的延长线上取点P,PM交对角线AC于Q,连接PN,QN并延长交PC延长线于R。证明:NM平分∠PNQ。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
矩形ABCD,M、N为AD、BC中点;C-D-P共线,P-M-Q共线,Q-N-R共线,P-C-R共线。
查看参考答案与解析
NM平分∠PNQ。
- 取N=(0,0)、M=(0,h),并设A=(−w,h)、B=(−w,0)、C=(w,0)、D=(w,h),P=(w,p),其中p>h>0。
- PM的方程为y=h+(p−h)x/w,AC的方程为y=h(1−x/w)/2。联立得Q=(−wh/(2p−h),hp/(2p−h))。
- 故射线NQ的方向与(−w,p)相同,射线NP的方向为(w,p),二者关于竖直射线NM对称,所以NM平分∠PNQ。
- 同时QN延长至x=w得R=(w,−p),从而PC=CR,可作为图形关系的复核。
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例题 10 · 两条中线方向的平行截线
在△ABC中,E、F分别是AC、AB的中点,D为BC上任意一点,DP∥CF,DQ∥BE,PQ与BE、CF分别交于R、S。求证:RS=(1/3)PQ。
原题勘误与整理备注原文:仅写DP∥CF、DQ∥BE;整理:补明P在AB、Q在AC,D取BC内部。依据:原题图;端点会使交线重合。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
P在AB、Q在AC;DP∥CF、DQ∥BE,PQ依次交BE、CF于R、S。
查看参考答案与解析
RS=(1/3)PQ,且PR=RS=SQ。
- 按图P在AB、Q在AC。取B=0,A=a,C=c为向量表示,令D=tc,0<t<1。E=(a+c)/2,F=a/2。
- 由DP∥CF且P在AB,可得P=ta/2;由DQ∥BE且Q在AC,可得Q=((1−t)a+(1+t)c)/2。
- 计算P+(Q−P)/3=(1+t)(a+c)/6,该点在BE上,故为R。计算P+2(Q−P)/3=((2−t)a+2(1+t)c)/6,其a系数是(1−c系数)/2,故该点在CF上,为S。
- 因此R、S在PQ上分别位于1/3和2/3处,RS=PQ/3。
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例题 12 · 梯形两腰与交点连线共点
已知梯形ABCD中,AD∥BC,E、F分别在AB、CD上。求证:若ED∥BF,则AF∥CE。又此时若ED、AF交于M,CE、BF交于N,问三直线AB、MN、CD共点的条件。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
梯形AD∥BC;E在AB、F在CD,ED∥BF;M=ED∩AF,N=CE∩BF。图展示一般位置,不预先画成所求特殊共点情形。
查看参考答案与解析
AF∥CE;在题图的非退化内部位置下,三直线共点的充要条件为EF∥AD,或AE/EB=√(AD/BC)。共点时还可推出EF²=AD·BC。
- 设两腰所在直线相交于T。选T为原点,以两腰方向为两个斜坐标轴,并统一刻度,使A=(a,0)、B=(b,0)、D=(0,a)、C=(0,b),其中0<a<b。设E=(e,0)、F=(0,f),a<e,f<b。
- ED∥BF给出(a/ e)=(f/b),即ef=ab。AF的方向为(−a,f),CE的方向为(e,−b);因ef=ab,两向量成比例,所以AF∥CE。
- 联立直线方程,得到M=(a(b−e)/(b−a), ab(e−a)/(e(b−a))),N=(b(e−a)/(b−a), ab(b−e)/(e(b−a)))。
- AB与CD已交于T,因此所问等价于T、M、N共线。两坐标行列式为零等价于a(b−e)²=b(e−a)²;由于e在(a,b)内,化为e=√(ab),再由ef=ab得f=e。
- e=f正是EF∥AD。此时平行截线长度按径向比例变化,EF/AD=e/a,BC/AD=b/a,故EF²=AD·BC。同时AE/EB=(e−a)/(b−e)=√(a/b)=√(AD/BC)。
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例题 8 · 两三角形相交的六边形截比
如图,两个三角形XYZ、UVW的边交成六边形ABCDEF。已知AB/UV=CD/VW=EF/WU,求证BC/XY=DE/YZ=FA/ZX。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
两个三角形交成六边形ABCDEF;字母按原图边的交点对应。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 这是关于同一直线段比的命题,可以用仿射坐标核验。取U=(0,0)、V=(1,0)、W=(0,1),记共同给定比为t,写A=(a,0)、B=(a+t,0)、C=(1−c,c)、D=(1−c−t,c+t)、E=(0,1−e)、F=(0,1−e−t)。
- 按原图,X=BC∩FA、Y=BC∩DE、Z=DE∩FA。记K=ac+ce+ea+(t−1)(a+c+e)−t+1。
- 沿BC参数化为B+u(C−B),与FA、DE分别联立;两交点参数差为K/[K+t²−t],所以XY/BC的绝对值就是此值的绝对值。
- 循环替换(a,c,e)及三条直线,K保持不变,得到YZ/DE和ZX/FA完全相同。取倒数即BC/XY=DE/YZ=FA/ZX。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 3 · 三个等边三角形的截线长度
如图,在直线l的同侧有三个相邻的等边三角形ABC、ADE、AFG,G、A、B均在l上。三个三角形边长分别为a、b、c。连结GD交AE于N,连BN交AC于L,求AL。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
三个等边三角形共顶点A,G、A、B共线;N=GD∩AE,L=BN∩AC。
查看参考答案与解析
AL=abc/(ab+ac+bc)。
- 采用以两条60°斜线为基向量的斜坐标,两个基向量长度均为1。设A=(0,0),D=(b,0),E=(0,b),C=(a,0);由等边图形,G=(−c,c)、B=(a,−a)。
- GD与AE相交于N,联立直线可得N=(0,bc/(b+c))。再将直线BN与AC即y=0联立,得L=(abc/(ab+ac+bc),0)。
- 因第一基向量为单位向量,AL=abc/(ab+ac+bc)。
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例题 8 · 平行截线三组乘积相等
过△ABC内一点P作各边平行线,把边分割成线段a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃。证明a₁b₁c₁=a₂b₂c₂=a₃b₃c₃。
原题勘误与整理备注原题:图中未印a₁至c₃的9个线段编号;整理为:a₁,a₂,a₃沿BC由B到C,b₁,b₂,b₃沿CA由C到A,c₁,c₂,c₃沿AB由A到B;依据:此循环编辑约定与原等式一致,不是原书已印标注。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
过P作三边平行线;沿BC、CA、AB各自起点至终点依次循环编号,详见题下编辑备注。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 设P的重心坐标为(α,β,γ),α+β+γ=1且都大于0。记BC=a、CA=b、AB=c。
- 平行线截比给沿BC从B至C三段为aγ、aα、aβ;沿CA从C至A三段为bα、bβ、bγ;沿AB从A至B三段为cβ、cγ、cα。
- 依照编辑补充的循环编号,每列乘积都是abcαβγ,故a₁b₁c₁=a₂b₂c₂=a₃b₃c₃。
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例题 7 · 重心平行截线构造相似三角形
G是△ABC的重心,M是BC中点。过G作BC的平行线分别交AB、AC于X、Y。XC交BG于Q,YB交CG于P。证明:△MPQ∽△ABC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
G为重心,XY∥BC,Q=XC∩BG,P=YB∩CG,M为BC中点。
查看参考答案与解析
△MPQ∽△ABC,相似比为1:4。
- 用向量把重心与平行比合并表示:取B为原点,A=a、C=c,则M=c/2,G=(a+c)/3。由XY∥BC,X=a/3,Y=(a+2c)/3。
- 解交点BG∩CX可得Q=(a+c)/4;解交点CG∩BY可得P=(a+2c)/4。
- 故MP=a/4,与AB反向平行;MQ=(a−c)/4,与AC反向平行;PQ=−c/4,与BC反向平行。因此三组对应边均为原三角形的1/4,△MPQ∽△ABC。
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例题 8 · 中线与角平分线构造垂直
在△ABC中,AA₁是中线,AA₂是角平分线,K在AA₁上且KA₂∥AC。证明:AA₂⊥KC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A₁为BC中点,AA₂内分A角,KA₂平行AC,K在AA₁上。
查看参考答案与解析
AA₂⊥KC。
- 把A取作原点,记AB向量为u、AC向量为v,长度分别为c、b。由角平分线定理,A₂=(bu+cv)/(b+c)。
- A₁=(u+v)/2。K在AA₁上且KA₂∥AC,比较u的系数可得K=b(u+v)/(b+c)。
- 因此CK=(bu−cv)/(b+c)。计算AA₂与CK的数量积:(bu+cv)·(bu−cv)/(b+c)²=(b²c²−c²b²)/(b+c)²=0。两条非零方向向量数量积为0,故AA₂⊥KC。
- 这里向量数量积的性质为x·y=|x||y|cosθ;故数量积为0等价于两非零向量垂直。
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例题 9 · 平行四边形内三线共点
P是平行四边形ABCD内一点,过P作AD的平行线交AB、CD于E、F,过P作AB的平行线交AD、BC于G、H。求证:AH、CE、DP三线共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
平行四边形内P,EF∥AD、GH∥AB;T为AH和CE的交点,待证D-P-T共线。
查看参考答案与解析
AH、CE、DP三线共点。
- 取A为原点,AB、AD为两条斜坐标基准;于是B=(1,0)、D=(0,1)、C=(1,1)。设P=(u,v),0<u,v<1,则E=(u,0)、H=(1,v)。
- AH上的点写为(t,tv)。CE上的点写为(1+s(u−1),1−s)。联立得到t=u/(1−v+uv)。
- 令k=1−v+uv>0,交点T=(u/k,uv/k)。另一方面D+(1/k)(P−D)=(u/k,1+(v−1)/k)=(u/k,uv/k)=T。故T也在DP上,三线共点。
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例题 11 · 等腰直角三角形中的中点
等腰直角△ABC中,∠B=90°,D为三角形内一点且∠ADB=90°。连接CD并延长至E,使∠AEB=90°。G是AB中点,直线CG分别与AE、AD交于M、N。求证:G是MN的中点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
A、B、D、E共圆,C-D-E共线;G为AB中点,M-G-N-C共线,Q为AD与BC的辅助交点。
查看参考答案与解析
GM=GN,G是MN中点。
- 归一化取B=(0,0)、A=(0,1)、C=(1,0),G=(0,1/2)。由∠ADB=∠AEB=90°,D、E均在以AB为直径的圆x²+y²=y上。
- 把AD写成x=k(1−y),则D=(k/(1+k²),k²/(1+k²))。同样把AE写成x=l(1−y)。由C、D、E共线并消去D=E的根,得到kl=k+l,即l=k/(k−1)。
- CG的方程是y=(1−x)/2。与AD联立得x_N=k/(2−k),与AE联立得x_M=l/(2−l)=−k/(2−k)。
- 所以x_M+x_N=0,y_M+y_N=1,它们的中点正是(0,1/2)=G。
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例题 12 · 射线与等角条件的比值差
△ABC的边AB中点为N,∠A>∠B。D是射线AC上一点且CD=BC。P是射线DN上一点,与A在BC同侧,满足∠PBC=∠A。PC与AB交于E,BC与DP交于T。求BC/TC−EA/EB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
N为AB中点,A-C-D共线且CD=BC;D-T-N-P共线,E为PC与AB交点。
查看参考答案与解析
2
- 给出坐标计算,并保留射线位置。取B=(0,0)、C=(a,0)、A=(u,v),v>0;记AC=b、AB=c。因∠A>∠B,有a>b,所以射线AC上满足CD=a的点D只能在C外侧,D=(a+a(a−u)/b,−av/b)。
- N=(u/2,v/2)。由cos∠A=(c²−au)/(bc)、sin∠A=av/(bc),射线BP的方向可写成(c²−au,av)。将其与DN联立得到P=(a(c²−au)/(b(a+b)),a²v/(b(a+b)))。
- 联立PC与AB得E=[a/(a+b)]A,故EA/EB=b/a。联立DN与BC得BT=a(a+b)/(2a+b),所以TC=a²/(2a+b)。
- 因此BC/TC−EA/EB=(2a+b)/a−b/a=2。
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例题 5 · 交叉截线中的调和分点
D是BC上一点,Q是AD上一点;BQ、CQ延长线分别交AC、AB于E、F,EF交AD于P。求证DQ/DA=PQ/PA。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
D在BC,Q在AD;E、F为交叉截线与两边的交点,P=EF∩AD。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 用仿射坐标取A=(0,0)、B=(1,0)、C=(0,1),D=(d,1−d),Q=tD,0<d,t<1。
- 直线BQ、CQ与对边相交,得E=(0,t(1−d)/(1−td))、F=(td/[1−t(1−d)],0)。
- 设P=uD,将其代入直线EF的截距方程,可得u=t/(2−t)。
- 于是DQ/DA=1−t,而PQ/PA=(t−u)/u=1−t,二者相等。
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例题 8 · 等边三角形三段等长的交叉线
等边△ABC的三条边BC、CA、AB上分别有三条相等线段A₁A₂、B₁B₂、C₁C₂。求证:直线B₂C₁、C₂A₁、A₂B₁所构成的三角形上,三条线段B₂C₁、C₂A₁、A₂B₁与包含它们的边成比例。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
三边上的等长线段A₁A₂、B₁B₂、C₁C₂;三交叉直线围成外三角形。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 因△ABC三边相等且A₁A₂=B₁B₂=C₁C₂,所以三段各自与所在整边的比相等。
- 应用《相似三角形(1)》例8已证明的交叉六边形截比定理(归入“用坐标表达共线、平行与分点”知识点):两三角形交成六边形时,若一组三条交替边与所在大三角形整边的比相等,则另一组三条交替边与另一大三角形对应整边的比也相等。
- 在此取原大三角形为ABC,另一三角形为三条直线B₂C₁、C₂A₁、A₂B₁所围三角形,六个交点正是A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂。于是B₂C₁、C₂A₁、A₂B₁与包含它们的三边成比例。
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例题 2 · 共点分线构成的四边形面积比
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,D是BC上的点,BD/DC=1/3,E是AC中点,AD与BE相交于O,CO交AB于F,求四边形BDOF的面积与△ABC面积之比。
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1/10。
- 由塞瓦定理,(BD/DC)·(CE/EA)·(AF/FB)=1。代入BD/DC=1/3、CE/EA=1,得到AF/FB=3,即BF/BA=1/4。
- 用分点向量求O的位置:令B为原点、A=a、C=c,则D=c/4、E=(a+c)/2。写O=(1−t)a+tc/4=u(a+c)/2,比较a、c系数得t=4/5,故O=(a+c)/5。
- O到BC的高为A到BC的高的1/5,BD/BC=1/4,故S△BDO/S△ABC=1/20。O到AB的高为C到AB的高的1/5,BF/BA=1/4,故S△BFO/S△ABC=1/20。
- 四边形BDOF由△BDO与△BFO组成,所求面积比为1/20+1/20=1/10。
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例题 6 · 三边外作正方形的中点连线
在△ABC的三边上向外作三个正方形,A₁、B₁、C₁分别是各正方形中与边BC、CA、AB相对的边的中点。求证:AA₁、BB₁、CC₁三线共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC的三边上向外作三个正方形,A₁、B₁、C₁分别是各正方形中与边BC、CA、AB相对的边的中点。求证:AA₁、BB₁、CC₁三线共点。
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AA₁、BB₁、CC₁共点。
- 使用平面向量给出适用于任意非退化三角形的证明。记a=BC、b=CA、c=AB,δ=2S△ABC>0,并取A、B、C逆时针排列。J表示逆时针旋转90°。A₁=(B+C)/2−J(C−B),另两点循环定义。
- 令A为原点,B=u、C=v,则u×v=δ,u·v=(b²+c²−a²)/2。计算得A₁×v=(δ+a²+b²−c²)/2,u×A₁=(δ+a²+c²−b²)/2。故直线AA₁上点的重心坐标满足y:z=X:Y,其中X=δ+a²+b²−c²,Y=δ+a²+c²−b²。
- 再记Z=δ+b²+c²−a²。循环计算给BB₁上的z:x=Z:X、CC₁上的x:y=Y:Z。因此三条直线共同经过重心坐标K=(XY:XZ:YZ)。等式用齐次坐标写成立,即使某个X、Y、Z为0也无需除以0。
- K是有限点:XY+YZ+ZX=7δ²+2δ(a²+b²+c²)>0(展开并用2a²b²+2b²c²+2c²a²−a⁴−b⁴−c⁴=4δ²)。所以三线确实共点而非互相平行。
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例题 7 · 角平分线垂足与平方和
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
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AB²+CP²=AC²+BP²。
- 取A为原点,AB、AC的单位方向向量分别为u、v,AB=c、AC=b,u·v=k=cosA。由角平分线定理,M=bc(u+v)/(b+c)。
- 因此AE=AF=t=bc(1+k)/(b+c),E=tu、F=tv。设P=xu+yv。P在CE上给x/t+y/b=1,在BF上给x/c+y/t=1。解得x=ct(b−t)/(bc−t²),y=bt(c−t)/(bc−t²)。由于三角形非退化,t²<bc,分母非零。
- BC的方向向量为bv−cu。点积P·(bv−cu)=[t/(bc−t²)]·{bc(b−c)(1+k)+(c²−b²)t}=0,最后一步代入t=bc(1+k)/(b+c)。所以AP⊥BC。
- 由向量展开,CP²−BP²=|bv−P|²−|cu−P|²=b²−c²−2P·(bv−cu)=b²−c²,移项即得结论。
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例题 10 · 三条角平分线足点的垂直条件
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
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∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,取A为原点,B=u、C=v,u²=c²、v²=b²、u·v=(b²+c²−a²)/2。
- 由角平分线定理,D=(bu+cv)/(b+c),E=cv/(a+c),F=bu/(a+b)。于是DE=−bu/(b+c)+c(b−a)v/((a+c)(b+c)),DF=b(c−a)u/((a+b)(b+c))−cv/(b+c)。
- 逐项计算点积,公分母为(a+b)(a+c)(b+c)²;分子为−b²c²(c−a)(a+c)−b²c²(b−a)(a+b)+bc[(a+b)(a+c)+(b−a)(c−a)](b²+c²−a²)/2。整理为a²bc(b²+bc+c²−a²)。
- 所有边长与分母均为正,所以DE·DF=0等价于a²=b²+bc+c²。余弦定理a²=b²+c²−2bc cosA给cosA=−1/2,即A=120°。
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例题 11 / 作业 6 · 向外直角三角形的交点连线
锐角△ABC向外作△ABE和△ACF,使AB⊥BE、AC⊥CF,且∠EAB=∠CAF。若BF、CE交于P,求证:AP⊥BC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
锐角△ABC向外作△ABE和△ACF,使AB⊥BE、AC⊥CF,且∠EAB=∠CAF。若BF、CE交于P,求证:AP⊥BC。
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AP⊥BC。
- 通过相似缩放取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(u,v),锐角条件给0<u<1、v>0。令t=tan∠EAB=tan∠CAF>0。
- 由向外、直角和正切条件,E=(−tv,tu),F=(1+tv,t(1−u))。若P=(x,y)=BF∩CE,则BF方程为y=t(1−u)x/(1+tv),CE方程为y=tu(1−x)/(1+tv)。
- 两式相等得到(1−u)x=u(1−x),故x=u。A、P的横坐标相同,而BC水平,所以AP⊥BC。
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例题 12 · 两层共点三线的传递
△ABC的边AB、BC、CA上分别有F、D、E,且AD、BE、CF共点。△DEF的边DE、EF、FD上分别有Z、X、Y,且DX、EY、FZ也共点。求证:AX、BY、CZ共点。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC的边AB、BC、CA上分别有F、D、E,且AD、BE、CF共点。△DEF的边DE、EF、FD上分别有Z、X、Y,且DX、EY、FZ也共点。求证:AX、BY、CZ共点。
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AX、BY、CZ共点。
- 采用重心坐标:点(x:y:z)表示(xA+yB+zC)/(x+y+z),三坐标同时乘非零常数不改变点。第一组共点且分点都在边内部,因此可选u,v,w>0,使D=(0:v:w)、E=(u:0:w)、F=(u:v:0)。
- 第二组共点,运用△DEF中的塞瓦定理,可选d,e,f>0,使X=eE+fF、Y=dD+fF、Z=dD+eE;这里对D、E、F使用上一行未归一化坐标,缩放可吸收进d,e,f。
- 于是X=(u(e+f):vf:we),Y=(uf:v(d+f):wd),Z=(ue:vd:w(d+e))。AX要求y/z=vf/(we),BY要求z/x=wd/(uf),CZ要求x/y=ue/(vd)。
- 三个比值乘积为1,而且公共点可直接写为(uef:vdf:wde),坐标均正、和非零。因此三线共点于三角形内部。
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长期追踪
尚未检查 · 暂无错题复习记录
错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 坐标与向量方法
从A到B的向量记作AB,它记录方向与长度。在正交等单位坐标中,A=(a,b)、B=(c,d),则AB=(c−a,d−b)。平移起点不会改变这个位移。
这节学会什么
- 能解释:向量先表示位移
- 能说明并应用:点积把垂直写成数
向量先表示位移
从A到B的向量记作AB,它记录方向与长度。在正交等单位坐标中,A=(a,b)、B=(c,d),则AB=(c−a,d−b)。平移起点不会改变这个位移。
点积把垂直写成数
u=(u₁,u₂)、v=(v₁,v₂),定义u·v=u₁v₁+u₂v₂。由余弦定理可得u·v=|u||v|cosθ。对两个非零向量,点积为0恰好对应夹角90°。零向量不能定义方向角。
选坐标系也有条件
上面的分量相乘相加公式使用正交单位基。若以两条斜边作基,必须额外计入两基向量长度与夹角,不能直接相乘。初学时选互相垂直的坐标轴最省事。
跟着做:把方法走一遍
示范:向量先表示位移
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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垂直。
- u·v=2×1+1×(−2)=0。
- 两个向量均非零,故垂直。
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自检:向量先表示位移
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
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5。
- AB=(3,4),长度平方3²+4²=25。
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例题 12 · 中点垂线与等角条件
在△ABC中,∠A=90°,M是AB中点,MD⊥BC于D。P在△ABC内,∠PAC=∠PBC,PB交MD于Q。求证AQ⊥CP。
原题勘误与整理备注原题:“M是AB重点”;整理为:“M是AB中点”;依据:原图与唯一合理的几何语义,属于笔误修正。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
M为AB中点,MD⊥BC;P满足所给角条件,Q=PB∩MD。
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命题成立,证明如下。
- 为给出可逐步核验的证明,取A=(0,0)、B=(2,0)、C=(0,c),c>0,M=(1,0)。因MQ⊥BC,可写Q=(1+ct,2t)。又B、Q、P共线,写P=(2+s(ct−1),2st)。
- 记P=(x,y)。按原图的角度方向,tan∠PAC=x/y,tan∠PBC=[c−t(c²+4)]/2。由两角相等,代入x、y得2=s[1−t²(c²+4)]。
- 向量AQ=(1+ct,2t),CP=(x,y−c)。点积AQ·CP=2+s[t²(c²+4)−1]=0,因此AQ⊥CP。
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例题 5 · 抛物线上直角三角形的高
Rt△ABC的三个顶点均在抛物线y=−3x²+bx+c上,斜边BC平行于x轴,求斜边上的高。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
平移坐标后的示意:A、B、C均在抛物线上,BC水平,AB⊥AC,AH⊥BC,待求高标为h。
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1/3。
- 平移坐标把抛物线化为y=−3x²。设B=(−u,−3u²)、C=(u,−3u²),u>0;A=(v,−3v²)。
- A在以BC为直径的圆上,且不同于B、C,所以|v|<u。设d=u²−v²>0。由AB⊥AC,向量点积为(v²−u²)+9(u²−v²)²=0,即d(9d−1)=0。
- 于是d=1/9。A到水平直线BC的距离为3d=1/3。平移不改变距离。
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例题 6 · 垂心与边中点的垂线
已知锐角三角形ABC,AD、CE为高,H为垂心;ED、AC延长后交于P,G为AC中点。求证PH⊥BG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD、CE为高,P=ED∩AC延长线,G为AC中点。
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命题成立,证明如下。
- 取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(u,v)。D=(u,0),E=(u²/(u²+v²),uv/(u²+v²)),垂心H=(u,u(1−u)/v),中点G=((u+1)/2,v/2)。
- 联立直线ED与AC得P=((2u²−2u+v²)/(u²+v²−1),v(u−1)/(u²+v²−1))。分母为0时两线平行,不符合交于P的题设。
- 把P、H、G代入点积,直接约去得到(P−H)·G=0。B是原点,G表示BG,故PH⊥BG。
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例题 7 · 角平分线垂足与平方和
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AM是锐角△ABC的角平分线,ME⊥AB于E,MF⊥AC于F,CE、BF交于P。求证:AB²+CP²=AC²+BP²。
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AB²+CP²=AC²+BP²。
- 取A为原点,AB、AC的单位方向向量分别为u、v,AB=c、AC=b,u·v=k=cosA。由角平分线定理,M=bc(u+v)/(b+c)。
- 因此AE=AF=t=bc(1+k)/(b+c),E=tu、F=tv。设P=xu+yv。P在CE上给x/t+y/b=1,在BF上给x/c+y/t=1。解得x=ct(b−t)/(bc−t²),y=bt(c−t)/(bc−t²)。由于三角形非退化,t²<bc,分母非零。
- BC的方向向量为bv−cu。点积P·(bv−cu)=[t/(bc−t²)]·{bc(b−c)(1+k)+(c²−b²)t}=0,最后一步代入t=bc(1+k)/(b+c)。所以AP⊥BC。
- 由向量展开,CP²−BP²=|bv−P|²−|cu−P|²=b²−c²−2P·(bv−cu)=b²−c²,移项即得结论。
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例题 10 · 三条角平分线足点的垂直条件
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在△ABC中,AD、BE、CF是角平分线。证明:∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
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∠BAC=120°当且仅当DE⊥DF。
- 记a=BC、b=CA、c=AB,取A为原点,B=u、C=v,u²=c²、v²=b²、u·v=(b²+c²−a²)/2。
- 由角平分线定理,D=(bu+cv)/(b+c),E=cv/(a+c),F=bu/(a+b)。于是DE=−bu/(b+c)+c(b−a)v/((a+c)(b+c)),DF=b(c−a)u/((a+b)(b+c))−cv/(b+c)。
- 逐项计算点积,公分母为(a+b)(a+c)(b+c)²;分子为−b²c²(c−a)(a+c)−b²c²(b−a)(a+b)+bc[(a+b)(a+c)+(b−a)(c−a)](b²+c²−a²)/2。整理为a²bc(b²+bc+c²−a²)。
- 所有边长与分母均为正,所以DE·DF=0等价于a²=b²+bc+c²。余弦定理a²=b²+c²−2bc cosA给cosA=−1/2,即A=120°。
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例题 1 / 作业 5 · 圆幂(2)·双切线交叉图求线段
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AB为圆O直径,AC、BD为切线,AD、BC交于圆上的E,AC=18cm、BD=8cm,求AE。
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36√13/13 cm。
- E在以AB为直径的圆上,故AD⊥BC。取A=(0,h)、B=(0,0)、C=(18,h)、D=(8,0)。AD方向(8,−h)、BC方向(18,h)点积为0,给h²=144,即AB=12。
- 在直角△ABD中,BD=8、AB=12,故AD=4√13。BE垂直斜边AD,射影定理给AE·AD=AB²,得到AE=144/(4√13)=36√13/13。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 圆幂(2)·切割线乘积与斜边四等分
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
△ABC为直角三角形,∠A=90°,D在斜边BC上且BD=4CD。圆过C、与AC再交于F,与AB相切于AB中点G。证明AD⊥BF。
查看参考答案与解析
AD⊥BF。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),b,c>0。AG=b/2。A的切割线定理给AF·AC=AG²,故F=(0,b²/(4c))。
- 由BD:DC=4:1,D=(B+4C)/5=(b/5,4c/5)。AD与BF的方向向量分别为(b/5,4c/5)、(−b,b²/(4c)),点积等于−b²/5+b²/5=0,所以垂直。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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讲义与扩展依据
本节讲解、示范和自检为独立编写;讲义来源用于课程对应,外部资料的具体核对范围列在文末。
OpenStax:Vectors核对向量分量、模与点积的几何含义。
几何 → 坐标与向量方法
证明AB⊥CD,先算u=B−A、v=D−C。在正交等单位坐标系,u·v=0就能证明两条非退化直线垂直。无需计算斜率,竖直线也能统一处理。
这节学会什么
- 能解释:把线段变成方向向量
- 能说明并应用:平方距离也能表达垂直
把线段变成方向向量
证明AB⊥CD,先算u=B−A、v=D−C。在正交等单位坐标系,u·v=0就能证明两条非退化直线垂直。无需计算斜率,竖直线也能统一处理。
平方距离也能表达垂直
由|u−v|²=|u|²+|v|²−2u·v,点积为零等价于勾股型平方和关系。复杂图中若已知很多长度平方,可能不用求出每个点坐标。
斜坐标不是不能用
若选择斜基e₁、e₂,u=x e₁+y e₂、v=s e₁+t e₂,则u·v=xs|e₁|²+yt|e₂|²+(xt+ys)e₁·e₂。多出的交叉项不能忽略;选择正交坐标是简化,而非唯一可能。
跟着做:把方法走一遍
示范:把线段变成方向向量
教学补充 · 独立编写,不是原讲义题目;尝试本题不会自动产生作答记录。
A=(0,0)、B=(2,3)、C=(1,1)、D=(4,−1),证明AB⊥CD。
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垂直。
- AB=(2,3),CD=(3,−2)。
- 点积6−6=0,向量非零。
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自检:把线段变成方向向量
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点积为0。
- 不用斜率,0×3+1×0=0。
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方法与适用条件
用分量直接相乘相加判断垂直需要正交等单位坐标。斜坐标也能计算,但必须使用基向量之间的点积;仅有仿射分比数据不够确定长度或垂直。
点X在过原点、方向向量为v的直线上的垂足为[(X·v)/(v·v)]v;不经过原点时先平移到直线上的已知点。
两点中点的坐标分别取平均。将垂足、中点及交点公式代回题设,再检查分母非零和点所在的线段或延长线。
进入原讲义例题 · 6
例题 3 · 平行四边形两投影的连线
已知平行四边形ABCD,C在边AD、AB上的射影分别是M、N。NM延长后与BD延长线交于P。求证PC⊥AC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
C到AD、AB的两垂足为M、N,P为NM与BD延长线交点。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 采用直角坐标,令A=(0,0)、B=(1,0)、D=(u,v),则C=(1+u,v)。记L=u²+v²。投影点为N=(1+u,0)、M=(u,v)(L+u)/L。
- 联立直线NM和BD,得P=((uL+u²−u−1)/(L−1),v(L+u)/(L−1))。其中L=1时两直线平行,与题设有交点P不符。
- 代入可验证P·C=L+2u+1=|C|²,因此(P−C)·C=0。向量C就是AC,所以PC⊥AC。
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例题 4 · 线段平方条件与中点
已知△ABC中∠A=90°,S、N在AB上,M在BC上,MN⊥BC,SC²=CM·CB。Q在AC上,SQ⊥SO(O为BC中点),SQ交MN于P。求证SP=QP。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
S、N在AB,MN⊥BC,SQ⊥SO,P为SQ与MN交点。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 取A=(0,0)、B=(b,0)、C=(0,c),S=(s,0),O=(b/2,c/2)。由SQ⊥SO、Q在AC上,得Q=(0,s(b−2s)/c)。
- 令T为SQ中点,则T=(s/2,s(b−2s)/(2c))。将T正交投影到BC于M′,有CM′·CB=(T−C)·(B−C)=bs/2−s(b−2s)/2+c²=s²+c²=SC²。
- 题设同样给CM·CB=SC²,且M、M′均在BC上,故M=M′,TM⊥BC。MN也过M且垂直BC,因此T在MN上,T=P,故SP=QP。
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例题 6 · 垂心与边中点的垂线
已知锐角三角形ABC,AD、CE为高,H为垂心;ED、AC延长后交于P,G为AC中点。求证PH⊥BG。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
AD、CE为高,P=ED∩AC延长线,G为AC中点。
查看参考答案与解析
命题成立,证明如下。
- 取B=(0,0)、C=(1,0)、A=(u,v)。D=(u,0),E=(u²/(u²+v²),uv/(u²+v²)),垂心H=(u,u(1−u)/v),中点G=((u+1)/2,v/2)。
- 联立直线ED与AC得P=((2u²−2u+v²)/(u²+v²−1),v(u−1)/(u²+v²−1))。分母为0时两线平行,不符合交于P的题设。
- 把P、H、G代入点积,直接约去得到(P−H)·G=0。B是原点,G表示BG,故PH⊥BG。
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例题 9 · 等腰三角形中的中点角平分线
已知△ABC,AB=AC,D是BC中点,直线CF⊥BC。E是AB上任一点,ED延长后交直线CF于F,M、N分别是ED、DF中点。求证AD平分∠MAN。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
等腰三角形中D为底边中点,E-D-F共线,M、N为两段中点。
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命题成立,证明如下。
- 取D=(0,0)、B=(−1,0)、C=(1,0)、A=(0,h)。写E=(−t,h(1−t)),0<t<1,则ED与x=1交于F=(1,−h(1−t)/t)。
- M、N为中点,故M=(−t/2,h(1−t)/2),N=(1/2,−h(1−t)/(2t))。
- 从A出发,AM的水平偏移绝对值与竖直下移之比是t/[h(1+t)];AN对应比值也是t/[h(1+t)]。两射线分别在AD两侧,因此它们与AD所成锐角相等,AD平分∠MAN。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 6 · 连续垂足的平方和
圆O半径R,OA、OB为两条半径。过A作AC⊥直线OB于C,再作CP⊥AB于P,连接OP,证明OP²+CP²=R²。
原题勘误与整理备注原题:作AC⊥OB,原图C在OB的反向延长线上;补充:按原图把OB理解为直线OB;依据:原印刷图的共线位置。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
B、O、C共线且C在OB反向延长线上;AC⊥OB,CP⊥AB。
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OP²+CP²=R²。
- 以P为原点,AB为横轴,设A=(a,0),B=(b,0),C=(0,c),O=(u,v)。OA=OB使u=(a+b)/2。
- 因AC⊥OB且O、C、B共线,有(A−C)·(B−C)=0,所以ab+c²=0。
- OA²−OP²=(a−u)²−u²=a²−2au=−ab=c²=CP²。故OP²+CP²=OA²=R²。
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例题 10 · 垂直对角线的四段平方和
四边形ABCD内接于半径r的圆,AC与BD相交于E且AC⊥BD,证明EA²+EB²+EC²+ED²=4r²。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
圆内接四边形的对角线AC⊥BD,交点为E。
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EA²+EB²+EC²+ED²=4r²。
- 以E为原点,AC、BD为坐标轴,圆心为(u,v)。设A、C的横坐标为a,c,B、D的纵坐标为b,d。
- 圆与x轴的交点满足x²−2ux+(u²+v²−r²)=0,故a²+c²=4u²−2(u²+v²−r²)。同理b²+d²=4v²−2(u²+v²−r²)。相加等于4r²。
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错题数仅计入已明确归因到本知识点的题目;一次做对不自动判定已掌握。
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几何 → 坐标与向量方法
复数z=x+iy对应点(x,y),其中i²=−1。相加就是坐标相加;模|z|=√(x²+y²)是到原点的距离。两个点间距离为|z₂−z₁|。
这节学会什么
- 能解释:用一个数记录平面上的点
- 能说明并应用:乘i为什么是旋转
用一个数记录平面上的点
复数z=x+iy对应点(x,y),其中i²=−1。相加就是坐标相加;模|z|=√(x²+y²)是到原点的距离。两个点间距离为|z₂−z₁|。
乘i为什么是旋转
i(x+iy)=−y+ix,对应(x,y)→(−y,x),正好逆时针90°。一般乘cosθ+i sinθ把长度保持不变并旋转θ;再乘正数r,就同时放大r倍。
这是可选的提高工具
把等边三角形与正方形的统一旋转写成乘法,能缩短多次构造证明。但须先定义原点、方向、每个复数对应的点。相似比实数与复数不能混用,复数本身没有通常实数的大小顺序。
跟着做:把方法走一遍
示范:用一个数记录平面上的点
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−2+i;逆时针旋转90°。
- i+2i²=−2+i,对应点(−2,1)。
- 旋转前后模均为√5。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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自检:用一个数记录平面上的点
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绕原点180°旋转。
- (x,y)变为(−x,−y)。
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例题 11 · 两组相似关系连接线段比
已知△ABC内有一点Y,BC上有一点P;X、Z在△ABC外且△AXB∽△CYP、△ACZ∽△BPY。求证XY/YZ=BP/PC。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
Y在三角形内,P在BC上;按两组相似对应构造外侧X、Z。
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命题成立,证明如下。
- 用复平面表示图形,令P=0,B=−b,C=c(b=BP>0,c=PC>0),A=a、Y=y。按图示相似对应,两组相似均为同向相似。
- 由△AXB∽△CYP,(X−a)/(−b−a)=(y−c)/(−c),故X=−b+(a+b)y/c。
- 由△ACZ∽△BPY,(Z−a)/(c−a)=(y+b)/b,故Z=c+(c−a)y/b。
- 所以Z−y=−(c/b)(X−y),取模得YZ=(c/b)XY,即XY/YZ=b/c=BP/PC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 9 · 固定角外作三角形的旋转
△ABC外作△BPC、△CQA、△ARB,使∠PBC=∠CAQ=45°,∠BCP=∠QCA=30°,∠ABR=∠BAR=15°。证明△PQR是等腰直角三角形。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
按45°、30°和15°底角在三角形外侧构造P、Q、R。
查看参考答案与解析
RP=RQ,∠PRQ=90°。
- 可把两个外作三角形理解为固定角度的旋转与缩放。以下用复数写出旋转,逐项检验目标。相似变换归一化B=0、C=1、A=z(z在上半平面)。记k=(√3−1)/2、e=(2−√3)/2。
- 根据底角45°、30°,外侧顶点P=k(1−i);根据底角30°、45°,Q=1+(1−k−ik)(z−1);根据两底角15°,R=(1/2+ie)z。
- 代入k、e后直接整理得到Q−R=i(P−R)。乘i表示逆时针旋转90°且不改变长度,所以RQ=RP且RQ⊥RP。故△PQR是以R为直角顶点的等腰直角三角形。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 7 · 外作等边三角形中心的等角关系
已知△ABC,向外作正三角形ACE和正三角形BCF,O₁与O₂依次是它们的中心,D是AB中点。求证∠EDO₁=∠FDO₂。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
在AC、BC外侧作等边三角形,O₁、O₂为中心,D为AB中点。
查看参考答案与解析
∠EDO₁=∠FDO₂。
- 用复数表示平面点,令C=0、A=a、B=b,取△ABC为逆时针方向,设w=(1+i√3)/2;乘w或其共轭分别表示逆时针或顺时针旋转60°。
- 由外作正三角形条件,E=w̄a、F=wb;两正三角形的中心为O₁=(1+w̄)a/3、O₂=(1+w)b/3,AB中点D=(a+b)/2。
- 代入w并整理,得到F−D=−i√3(O₁−D),O₂−D=−i(E−D)/√3。
- 这说明把射线DO₁、DE同时顺时针旋转90°,分别得到DF、DO₂的方向;正的伸缩不改变夹角。所以∠FDO₂等于DO₁与DE的夹角,也就是∠EDO₁。镜像放置同理。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 8 · 等边外作与四分点构造
已知△ABC,向外作正三角形△ABD与△ACF;P、Q分别是AD、CF的中点,R是BC上一点,BR=3CR。求△PQR的三个内角。
原题勘误与整理备注原题:向外作正三角形△ABD与△ACE。修正:向外作正三角形△ABD与△ACF。依据:用户确认;与后文Q为CF中点及原图F标记相符。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
向△ABC外侧作正三角形ABD、ACF;P为AD中点、Q为CF中点,R在BC上且BR=3CR。蓝线围成待求角的△PQR,图中不预标答案。
查看参考答案与解析
∠P=30°,∠Q=60°,∠R=90°。
- 用复数表示平面上的点,令B=0、C=4、A=z(A在实轴上方)。由于BR=3CR,R=3。令w=(1+i√3)/2,乘w表示逆时针旋转60°,乘其共轭表示顺时针旋转60°。
- 由两正三角形位于△ABC外侧,D=z−w̄z,F=z+w(4−z)。由中点条件,P=(2−w̄)z/2,Q=((1−w)z+4+4w)/2。
- 代入w并整理,得到Q−R=−i(P−R)/√3。因此RP⊥RQ,且RQ/RP=1/√3。P≠R:若P=3,则z=3−i√3,与A在实轴上方矛盾。
- 所以△PQR为直角三角形,∠R=90°;tan∠P=RQ/RP=1/√3,故∠P=30°、∠Q=60°。镜像放置不改变三个角的大小。
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例题 9 · 六十度菱形中的外延交点角
菱形ABCD中∠A=60°,E在AD上;CE与BA延长后交于F,BE延长后与FD交于M。求∠DMB。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
∠A=60°的菱形,E在AD,F=CE∩BA延长线,M=BE∩FD。
查看参考答案与解析
∠DMB=60°。
- 把菱形边长归一化为1,用复数取A=0、B=1、D=w=(1+i√3)/2、C=1+w。设E=tw,0<t<1。
- 联立CE与实轴BA,得F=−t/(1−t)。从而向量FD=w+t/(1−t),BE=tw−1。因w²=w−1,有(1−t)FD=−w·BE。
- 因此从射线MB(与BE方向相反)旋转60°恰得射线MD的方向,故∠DMB=60°。
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几何 → 四边形 → 边与对角线度量
四边形的边与对角线关系常来自三角不等式、平方非负或点积展开。先选择一条对角线拆三角形,或用共同原点表示四个顶点,避免凭图长短估计。
这节学会什么
- 能解释:把四边形拆成向量或三角形
- 能说明并应用:欧拉四边形恒等式
把四边形拆成向量或三角形
四边形的边与对角线关系常来自三角不等式、平方非负或点积展开。先选择一条对角线拆三角形,或用共同原点表示四个顶点,避免凭图长短估计。
欧拉四边形恒等式
设两对角线AC、BD中点为M、N,则AB²+BC²+CD²+DA²=AC²+BD²+4MN²。可令M为原点,A=u、C=−u,B=v+w、D=v−w,展开四边平方后交叉项消去,得到4|u|²+4|w|²+4|v|²。
恒等式立刻给不等式
因为4MN²≥0,四边平方和≥两对角线平方和,等号当且仅当M=N,即对角线互相平分;对通常非退化四边形这等价于平行四边形。若原题附加限制,还要检查该形状是否允许。
跟着做:把方法走一遍
示范:把四边形拆成向量或三角形
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均为50。
- 四边平方和2×9+2×16=50。
- 每条对角线长5,两平方和50,中点重合。
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若四边平方和比两对角线平方和多16,两对角线中点距离是多少?
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2。
- 4MN²=16,MN取正根2。
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方法与适用条件
凸四边形满足AC·BD≤AB·CD+AD·BC。通过旋转相似构造辅助点,把右侧除以AC后化为两段长度,再应用三角形不等式。
设M、N为两条对角线中点,有AB²+BC²+CD²+DA²=AC²+BD²+4MN²。由非负平方得到对角线平方和的上界;等号成立当且仅当两对角线互相平分。
对角线相交产生的相似与平方和
两条对角线相交于E时,△AEB∽△DEC、△AED∽△BEC。这是“两对相似”,不是任取两个小三角形都相似。
平分对角线时,用中线公式加相交弦定理化简边长平方和;垂直对角线时,勾股定理或圆的坐标方程可把平方和转成直径平方。
进入原讲义例题 · 2
例题 6 · 四边形的托勒密与平方和不等式
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
凸四边形及两条对角线,中点M、N用于平方和恒等式。
查看参考答案与解析
AC·BD≤AB·CD+AD·BC;AC²+BD²≤AB²+BC²+CD²+DA²。
- 托勒密不等式为AC·BD≤AB·CD+AD·BC。作辅助点X使△ABX∽△ACD,并使∠XAD=∠BAC;则BX=AB·CD/AC,XD=AD·BC/AC。由BD≤BX+XD,乘AC即得不等式。
- 平方和不等式为AC²+BD²≤AB²+BC²+CD²+DA²。令M、N分别为AC、BD中点;两次应用中线长公式并相加,得到AB²+BC²+CD²+DA²=AC²+BD²+4MN²。
- 由MN²≥0即得平方和不等式;等号当且仅当M=N,即四边形为平行四边形。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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例题 5 · 三等分直径的距离和上界
EF为圆O直径,B、C在EF上且EB=BC=CF,A在圆O上。证明AB+AC≤(√10/3)EF。
根据原题重绘,图形不作为长度测量依据。图形关系说明
直径EF依次经过B、O、C,EB=BC=CF,A在圆上。
查看参考答案与解析
AB+AC≤(√10/3)EF,A在BC的垂直平分线上时取等。
- 设半径R,OB=OC=R/3,O是BC中点。中线公式给出AB²+AC²=2AO²+2OB²=20R²/9。
- 由(AB−AC)²≥0,(AB+AC)²≤2(AB²+AC²)=40R²/9。取平方根并代入EF=2R即得结论;等号要求AB=AC。
独立推导的参考解析,不是学生作答记录。
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学习路线
代数基础 → 方程 → 不等式
从等价变形、因式分解和根式开始,用配方理解求根,再进入整数结构与最值。
按顺序进入各节;遇到陌生知识,可沿“先学这些”补习。阅读或展开答案不等于已掌握。
- 等式变形、非零条件与不等号方向基础
- 多项式运算与因式分解基础
- 配方:从完全平方到方程与最值基础
- 平方根、绝对值与定义域基础
- 一元二次方程求根公式基础
- 判别式、重根与交点个数基础
- 韦达定理判断根的符号与大小应用
- 含参数方程的降次与边界检查方法
- 等式条件与目标表达式方法
- 整值多项式与连续整数乘积提高
- 双二次方程换元与对称根应用
- 根式约束换元与平方验根应用
- 整数根与整系数因式分解应用
- 二次函数比值的全局界提高
- 用根与系数关系化简对称式应用
- 两数均值不等式与取等条件基础
学习路线
函数图像 → 区间最值 → 根的分布
先理解图像的点与对称,再研究范围限制和参数;最后进入函数值与系数的综合题。
按顺序进入各节;遇到陌生知识,可沿“先学这些”补习。阅读或展开答案不等于已掌握。
- 函数、坐标与图像的含义基础
- 二次函数定义、配方与三种解析式基础
- 二次函数开口方向与单调性基础
- 二次方程实根的区间位置提高
- 连续函数的区间根定理与选点应用
- 用已知函数值重组待求量方法
- 区间有界二次函数的系数估计提高
- 二次函数的区间最值与端点自洽应用
- 二次函数的最小最大偏差提高
- 二次函数的全局非负与夹逼应用
- 抛物线的对称、弦与坐标几何应用
- 从抛物线图像读取系数与代数式符号应用
- 含参数抛物线族的定点与顶点轨迹应用
- 二次函数图像的平移与对称应用
- 含参数二次函数的最值与恒成立提高
- 二次函数符号、方程实根与不等式解集基础
学习路线
面积与比例 → 相似 → 共线共点
先建立面积、全等与比例,逐步进入相似、角平分线、梅涅劳斯与塞瓦。
按顺序进入各节;遇到陌生知识,可沿“先学这些”补习。阅读或展开答案不等于已掌握。
- 成比例线段与比例内外项基础
- 比例基本性质、合比性质与等比性质基础
- 三角形面积与同底、同高基础
- 平行线分线段成比例基础
- 比例定理逆用的条件基础
- 面积分割把局部比例相加方法
- 添平行线转移比例方法
- 中点与共线条件的比例联立应用
- 全等三角形与对应关系基础
- 相似三角形的定义与对应顺序基础
- 相似三角形的判定基础
- 直角三角形中的正弦、余弦与投影基础
- 60°与三等分的投影关系应用
- 梯形中的平行截线与交点应用
- 线束模型与对应分段应用
- 正弦定理、余弦定理与三角形面积基础
- 三角形内外角平分线定理基础
- 三角形中线与重心基础
- 相似比、周长比和面积比基础
- 倍角条件与边长恒等式提高
- 旋转相似与外作等边三角形方法
- 直角三角形的射影定理应用
- 截线与中线的倒数比例提高
- 平行截线的循环乘积方法
- 梅涅劳斯定理与共线判定应用
- 等角共轭与角平分线构造提高
- 几何面积比的代数最值提高
- 塞瓦定理与共点判定应用
- 角元塞瓦定理提高
学习路线
圆与弦 → 圆周角 → 圆幂
由等距与直角三角形进入圆,再把角关系和相似转成乘积关系。
按顺序进入各节;遇到陌生知识,可沿“先学这些”补习。阅读或展开答案不等于已掌握。
- 圆的定义、对称与点的位置基础
- 弧、弦、圆心角与垂径定理基础
- 圆周角、圆心角与直径基础
- 同弦圆周角与共圆判定基础
- 相交弦、割线乘积与点的幂应用
- 切线、等切线与切割线定理基础
- 内切圆切线段、半周长与面积应用
- 坐标中的圆幂不变量与根轴提高
- 托勒密定理:对角线与对边乘积应用
- 圆内接四边形面积:婆罗摩笈多公式提高
学习路线
坐标与旋转 → 度量与最值
这些工具连接代数和几何;先沿每节的前置知识补基础,再做提高题。
按顺序进入各节;遇到陌生知识,可沿“先学这些”补习。阅读或展开答案不等于已掌握。
- 用坐标表达共线、平行与分点方法
- 垂直平分线与等距构造基础
- 向量、点积与正交坐标基础
- 坐标法处理垂足、中点与垂直方法
- 四边形的托勒密与平方和不等式提高
- 复平面表示旋转相似(选学工具)提高