三角形五心相關比例的探討
蘇柏奇*游淑媛
苗栗縣立興華高級中學 壹、前言 C AUI/ 門, V
I
/ 巧, W
I
/ 門,們:
v
2 :w
2
之函數 B 三角形上面的點和線之間的關條,一直都是中學幾何題材的重點所在,中學數學己論 及五心的許多性質(未談及傍心) ,諸如:重心 G 與頂點的連線三等分三角形、外心到三 頂點等距離、內心到三邊等距離、重心將中線分成 2: I 的兩段長度...等。其中,筆者關注 的點在於五心各性質的類推,例如:外心到三頂點等距離,即 I1:
J
'其餘四心到三頂 點的距離雖然不一定相等,但是否成比例?同樣的,內心除外的四心到三邊的距離是否也 成比例關條?從源頭可溯及古希臘的「孟氏定理」出發,本文推導出由三角形五心所得出 的各相關臣離、長度和面積的比例關像。如下圖 l 所示,我們考慮的三角形 MBC 之三邊長 BC=a ,
AC=b
,
AB=c , 且 P, Q, R
分別為直線 BC ,
AC
,
AB 上的點。當 AP ,BQ
,
CR 三線相交於一點時,以 Z 點表示此交 點。相關的長度、距離定義如下:令 Z 點到 A ,B
,
C 三點的距離分別為 ZA= 叭 , ZB= 片,ZC=W
1;Z 點到 P, Q , R 三點的距離分別為 ZP= 門 , ZQ= 門 ,
ZR =
W2 ;Z 點到 BC ,
AC
,
AB
三邊的距離分別為d"
吭
,d)
再令 LA 、 ζB 及 LC 內的傍心分別為 A', B', C' 本文將於第二節介紹孟氏定理及推 導後續討論所需的相關引、系理,並於第 三節針對五心相關距離、長度、和面積的 比例關像進行探討,在此先將第三節所得的結果列表如表 I
a
,
b 及表 2
a
,
b 所示。
其中,因為直角三角形的外心在斜邊中點, 童心為三角形的頂點,為方便起見,本文 討論外心及童心的相關性質時,將排除直 角三角形的情況。另外,表 2 。中外心的 比僅限於銳角三角形。國 l
*為本文通訊作者表 1
a
詢:1'2:的.心
外心 UIfa句 vII 內 VIII 時 2 2 扣∞s 司+卡∞sCI lac自 4 伊∞sAI+ 卡∞sCI 仰自司 伊∞sAI+~ ∞sBJ #∞sCI UI:VI:VII4可4bccosA :.jb可石高高:、正I +4ab 間C
l l
l
IacosAI
~伽利 卡 cos ClP ∞s 司+卡 cos Cl伊 cosAI+ 卡 cos Cl伊∞ sAI+ 伊∞s 司
童醫心
c-c-B-m-4
臨-Fm-7
巴拉一叫的一叫
蛇 -am-im-t b-a-a-PJsAI: 伽利: PJsCl
jsecAI:知司伊叫 告辭b A'.B',C' 內心b+c
A'A : B'B :C'C-∞ s(AI2) .
c
os(Bl2) . ∞ s(CI2)a(-a+b 刊)歧。-b 刊 )
c(a+b-c)
A'P : B'Q : C'R 圖
co s(AI 2)∞ s( BI2) ∞ s( CI2)
(b+cX-a+b
+e)(a+cXa-b+c)
(a+bXa+b -c)
aa+c
b
a+b
c ∞ s(AI2) . ∞ s(BI2) . ∞ s(CI:可
a b c
∞ s(AI2) . ∞ s(B I2) . co s(CI:力
b+c
a+c
a+b
c-b
傍心
a
a+c
∞ s(AI2) . ∞ s( BI2) ∞巾(BI:可 • cos(CI2)a(
-a+b+c)
b(a-b+c)
c(a+b-c)
sir(AI2) ∞s(B I2) . si r(CI 力
c-b
a+c
a-b
B.
ba-b
表 1b
c dl:~:4 ~位:AACZ: AABZ
虛心
a b c
1 1 1
I
:.I : I
外心 扣。sAl: 卡os 司:
IcosCI
拉 eosAI
:
~
eos BI
:卡 eosCI
重心 |鉛叫I
:
Isee 司: I始eCI 伊鉛cAl: 特 seeBI:
I':
seeCI
傍心
d(A'
,
BC) : d(B'.A
C) :
d(C'.A
S)
z M﹒砍了:MEtC: MEC'=
A'.B'.C
.
∞t(AI2)eo
t(
BI2)
. ∞'(C/2)aeo
t(
AI2)
. beo
t(
BI2) . ceo'(C/2)
(-a+b+c)2
(a-b+c)l
(a+b-c)2
(-a+b+c)2
(a-b+c)2
(a+b-c)l
內心
1 : 1 : 1
a:b:c
傍心
B
.
科學教育月刊 第 356 期 中華民國 102 年 3 月
表 2
a
岫 f 旬
vII 均 UI:VI:"I 句:~﹒昀
"II 兩 2 盒·LJ 2 +-a' +2以+~, J切, ν+~, dd +2b' -c' 2 a'b'+de'+ 卦c'c'-b﹒ -c' 。'(-<I+b' H') d ( J+b'+c'> db'+de'+2b'cg-b
.
-d a'b' +b'c'+2dc'-a' 呵C﹒ b'(d -b' H')*LJ
b'(d-bz+e') 1: 1: 1 品,+b'cz+Mcg _a4-c' a'c' +b'c'+ 泊、2_a•-b.
c'(d +b' -c')c'(d +b2-♂〉 a.1,1+b'c'+2a'b2-a• -b
.
(僅限銳角三角形) (僅限銳角三角形)
|甜(-0' 以~I
Ka'-b' +c'Xa' +b' -c')
S心 苔,“'-川| 似-d+b'H可:似a'-b'H')I: 卡(d+b'-c')1
~Ar+cJ)|: 心,-L村,51 :↓以刊,51
K-a'+b' H'Xd'+b'-c ' ) 址'(川-向| K-a'+b'+e'Xd -b' H') ".心 b+c A'A: B'B:C'C • A'P: B'Q:C'R.
.ra
d
.fC
A'.B',C.
aJκ-a+b 刊)
抖。 -bH) 、肉。+b-c)
。H)J-a+bH
(a+Cr!
a-bH(a+b)Ja吋-c
a+c b a+bJ
a(-a+b H) ...jb(a可言;J古古訂了 內心 c再三:拉宇:~平
b+c 。 +c 。+b c-b a 傍心 a+cJ平 J平:~平
J石3可3.~苟 .J(-o+b刊) B.
b c-b a+c a-b a-b c 表 2b
dl:為:‘ 企BCZ:
6,
ACZ :
6,AB
Z
&心 l-c 'A-knu--a
l..
l..
l 外·IJr<-d
+b2+ 叫:/b(
a2_b2+ 叫:卡(d+b2_c2)1
卡(-d +b2 + 叫: ~2(d_bl+ 叫:卡(a2+b2_叫"IJ
~斗的I
:
ka!
-~!
+e2)1:
(d+~2
_c
2)1
l
-d
+~l
+c 21 :I計~I
: Id +;2 _c 21傍心 dCA', 反~
:
d(B'.A仍:d(C'.AI方--a+b+c a-b+c a+b-c
l'.A'Be :l'.AB
'C :
l'.ABC'-a b c
-a+b+c a-b+c a+b-c
A'
,
B'
,
C
.
恥一恥
l l l a:b:cB
.
大致而言,表 l 的關條式用到長度、角度量,但其式子較為簡潔;相對的,表 2 的 關條式較為複雜,但僅用了長度量。其中,特別的是僅用長度量時,傍心的叫 :
d
2 :d3
及
M3
CZ: MCZ:
MBZ 反而得到較為簡潔、好用的表示。貳、孟氏定理及相關引、系理
孟氏定理闡述三角形上三點共線的充要條件,如定理l 所示,證明從略。 定理 1:
ARxBPxCQ
如圖 2 所示,三點 P , Q , R 共線,若且唯若一一一=1 尺BxPCxQA A B 圖 2P
Q.
圖 3 Q 為後續各項比例的探討,引理 2 提供了所需的若干關條式。若引理 2 中的 H 、 AQ 、 AQ' 為中線或內、外角角平分線時,前述結論可進一步簡他(旦失理 3 )。利用餘弦定理、 半角公式等,可將 MBC 之內角的三角函數比轉換成長度比(引理 4) ,並從而由表 1a
,
b
得出表 2
a
,
b
。
引理 2: 如圖 3 ,在 MBC 中,直線 BC 上依序有 Q' ,B
,
P
,
C
,
Q 五點,令(BP
,
CP )
= (m
,
n
),
(ζBAP ,LCAP)
= 徊, β) ,(
LCAQ
,
LBAQ')
= (y
,
y')
, 則2.
3.
BP
esinαCP
bsinβ--:-;;
AP=
be
---,--
sineα+的
, /
.AP
---=2
b
2m
+ e
2n
= 一一一一一一-mneS In α+bsinβ a
besin(α+β) 了云: besin(α+β)
AQ=
科學教育月刊 第 356 期 中華民國 102 年 3 月
【證明】
設 AP=
x
,
AQ=
y
,
AQ'=
y'
MEP
BP
(αSLOα)/2 /I"""'/O
RBP
因一一一=-==
~~ ._,他簡得-==一一一
MCP
CP
(如此1 月 /2' .-.-, -CP
bsin
j3
be
sineα+β)αSIOαbxsinβ2.(
1) 由 MBC=MBP+MCP , 得 =一一一一+一一一一2
2
2
化簡得 AP besin(α+β7 esinα+bsinβ(2) 設 3日 , LAPC= 叫,由餘弦定理,在 MBP 中,得∞sθ= m
2于一 e
2 L.mx
在 MCP 中,得 COS() =昕一n2-x2 ,得
4凡芷 2 2 .2ι2 2 2m- +x--e
0--n--x
2mx
2月X化簡得五2 坐立fE-mp7
Geysin(α+β +y) besin(α+β) bysiny
3.
由 MEQ=MEC+MCQ , 得=
. .
+一一一2
2
2
一-besin(α+β) 他簡得 AQ=
esin(α+β +y)-bsiny
by'sin(α+β +y') besin(α+β) ey'siny'
同理 l=MCQ'=MEC+MEQ' ,得
=
. .
+一一一一一2
2
2
一「 besin(α+β〕
1b 簡得 AQ'=. ---~-'-- ,,,'/證旱 bsin(α+β +y') 一 esiny'
*理 3: MBC 中:
一一
一-=
J2b
2+2e
2_a
2Ja
2+
4becos A
若 AP 為中線,則 AP= w
=-2
2.
若 AP 為內角平分線,則 AP= 一-cos-.一-=2be
A
b+e
2
3.
若 e>
b , 則 ζA 的外角平分線與 BC 相交 Q , 且 AQ= 一-Sin 一 , CQ= 一一-一一 一--::::-2be.
A 一一e-b
2 -
-
e-b
【證明】 一-2F2月↓ b2月G 勻
2e2+
2b
2-a
2 由引理 2.2 '得 AP- =2:....一一二一一(一)"=
2a
'2
-
.J
2c
2+
2昕一。2
2
,_2
_2 . ""
1_ _ _ __ , l~ ~e ~
.J
a
2+ 4bccos A
得 AP=v
2
又 b
2+ c
2
= a
2
+
2bc ∞sA , 故得 AP= V~
2
2.
設 LBAP=L臼P= α= 芋,
一-=
bcsio
2α2bcsioαcosα 2bcA
由引理 2.2 '得 AP=
---.._--
=
---一-cos-.bsinα+csinα(b+c)sinα b+c
2
bcsin(
Jr-2y)
3.(
I)將。 +2y= π 代人引理 2.3 '得 AQ=csin(π -y)-bsioy
一-
2bc
sin y cos y2bc
2bc
.
A
t 簡得 AQ=----··· ,---' = 一---:-
cos
Y = - - .
Sin 一.csiny-bsiny
c-b
c-b
2
BC
ABsinA
一一2bc
. A
A
bc
(2) 如圓 3' 由引理 2.1 '得-==-=-一一其中 AQxsiny=一-SIl1 -XCOS- =一~sinA ,
CQ
AQsioy
-
c-b
2
2
c-b
故得高=坐了證畢
c-o
B
Q
圖 3 引理 4: 在 MBC 中:1.
cos A : cos B : cos C
=α(一。2+b2+c2): b(a 2 _b 2+c 2): c(a 2
+b2 一 c2)2
cosf 斗:∞s;=JO(一。山作品可否:~叫一 c)
A B C
cot-: cot-:
cot 一 =-a+b+c.
a-b+c:a+b-c
2 2 2
3.
bsecB+csecC
2α2(一。2
+ b2 + c2)
bcosB
+ ccosC
。 secA
(a
2_b
2+c
2)(a
2+ 昕一 c
2)
,
acosA
。2b
2+a2c2 +b2c2 _b
4_c
42
,
2
,
2
2 、 aLe一aL+bL+c L)
bsecB
+csecC asecA +csecC asecA +bsecC
= cos
A :
cos
B :
cos C
a b c
科學教育月刊 第 356 期 中華民國 102 年 3 月 【證明】 由餘弦定理得: a
_a 2 +b2
+
C2
ha 2 _b 2
+C 2一。
2+b2_C2COSA =
‘COS
lJ=
‘COSL
=一一一一一一一2bc
2ac
2ab
得 cos
A :
cos
B :
cos C
=α(一。 2
+
b2
+
C2): 歧。2
_b2
+
C2) : c(a 2
+ 昕一 c
2)
2 因∞÷丹豆 =talt仁 JG+b+17+b叫
I(α +b+c)(一。 +b+c) 得 cot'_' = .1
'J
(。一 b+c)( α +b-c) !(α +b
+
c)(α -b+c) 同理∞Sγ =,
I
L. V 峙。cC
COS-=
2
(a
+
b
+
c)(a
+
b - c)
4ab
B
I
(α +b
+
c)(α -b+c) __,C
1(α +b+c)(a+b-c)I '
"
, • cot 一 =I
2
'J(一。 +b+c)(a+b-c)-
2
'J(一。 +b+c)(a-b+c)得∞sf:cos? 吋 =
.j
a(-a
+
且
cot 一: cot 一:ABC
cot
-=--
=
-a
+
b
+
c
:α -b+c:a+b-c.2 2 2
3.
由餘弦定理得secA=
2bc
---
_. secB
_
=一一一一一, S自 C= 一一一2ac
_
2ab
_a 2
+
b2
+
c2 '
--- -
a 2 _ b2
+
c2 '
--- -
a 2
+
b2 -
C尚 依此方法,再根據一般的推演即可完成,過程省略。參、五心的相關比例
我們在這一節裡,針對當交點 Z 為內心(1)、重心 (G) 、外心( 0) 、垂心( H) 、傍心( A', B',C') 時,算出吼叫:
Wi(i
=
1
,
2)
,
d
j :d
2 :d
3
等比例關條及U
j
/門,門/吧,
W)/w
2
之 值以及相關三角形面積比。其中,例行性運算或中學階段熟悉的性質的證明過程從略。~理 5 :如圖 4 ,令 Z=l 為 MBC 的內心'
2
3.
4.
U)/u
2 =(b+c)/a
,
v)/v2
=(α +c)/b ,w)/w
2 =(a+b)/c.
1
A l
B I
C I A
I
B
1
C
u.
:V,:
w
,
=-cos-一 :-COS-: 一 cos 一-,
U" 2 · " 2 · ""2 -,:
V, :
W 一一一一-cos 一:一一一-cos 一一:一一一-COS-.
a
2
b
2
c
2 -
•
•
•
b+c
2
a+c
2
a+b
2
叫:
d
2 :d
3=
1 : 1 : 1 .
【單明】
2.
BI .. QC .. AR
1"s
VI ..a
..
b
由孟氏定理 =x-=月三= 1 ,侍 ~x 一=--x'::"=l ,故得 VI
/v
2=
(α +c)/b.
IQ
CA
RB
v2
a
+
c
a
~ 同理 UI
/u
2=
(b+c) 旬, WI /w
2=
(a
+
b) /
c .
一-:::-2ac
B
~ V 由系理 3.2 得 BQ=
VI+v
2 = 一-cos 了且斗=--一,a
+c
Lv
2 tJA目
a+c
艾文a+c
2ac
B
2ac
B
侍 V,.= 一一一一一-Jjυ= 一一一-一-x 一一-cos 一=一一一一一-cos 一,
a+b+c
~a+b+c
a+c
2
a+b+c
2 .
b
~b
2ac
B
2abc
B
仇=一一一-Jj U= 一一一-x 一一-cos 一= cos 一
ι a
+
b
+
c
~a
+
b
+
c
a
+
c
2
(a
+
b
+
c)(a
+
c)
2
2bc
A
2abc
同理 U, - 一一一-cos-=- ,凡-
cos-=-
,
a+b+c
2 ι (a+b+c)(b+c)2 .
2ab
C
2abc
C
W. =一一一一一一 -cos 一一. W吋= cos
一一-a+b+c
2'
"(a+b+c)(a+b)
2
1
A l B
1
C
t 簡後可得帆布:
W,
=
-cos-=-:
-:-cos-=-:一 cos
a
2
b
2
c
2
1
A l B
1
C
札 : Vo :WO=一-cos-: 一-cos-: 一-cos- 證畢。
ιιι b+c
2
a+c
2
a+b
2
B AC B
C 國 4 圖 5*理 6: 如圖 5 '令 Z=G 為 MBC 的重心,
1.
u
I /u
2=
VI /v
2=
WI /w
2= 2 .
中華民國 102 年 3 月 第 356 期 科學教育月刊
MBG:
M3
CG:MBG =1:1: 1.
d
l :d
2:d
3=
1/ α : 1/ b: 1/ c. 【證明】3.
4.
得
故
xl-2
x
v-v
BGQC AR
- - x
z;.- -x ----
=
1
,得GQ
CA
RB
由孟氏定理 VI/v
2=
2.
' 一 , 一 . 一 . 一 . - VI 寸地,叫 =:CR , u2=jAP , V2=;時,叫 =j 臼
U I /u2
=
WI /w
2=
2 .
-P
弋A2-3
一-u 同理 由系理 6.1 得2.
又由金理 3.1 ,得芳:豆豆 :
CR
=
J
a
2+
4bc
cos
A :
J
b
2+
4ac
cos
B :
J
c
2+
4ab
cos C
U I : VI : WI
= u
2 :v
2 :w
2=
J
a
2
+
4bc∞sA:
J
b
2+
4ac
cos
B :
~
c
2+
4ab
c的 C 證畢。
故
是足理 7: 如圖 6 及圖 7 ,令 Z=H 為 MBC 的垂心,
B 一的
-d
A 一吋 VI 一 | as自 A+csecC |~
1bsecB
I'
U II
bsecB
+ csecC|
U 2lase心 A
I'
U 2 :
v
2: 叫 =
d
l :d
2 :d
3=
IsecAI: IsecBI: IsecCI
UI : VI : WI
=
IcosAI:
leo叫 :lcosCI
M3
CH : MCH : MBH
= αIsecAI :b
Isec
BI :
c Isec CI
2.
3.
4.
【誼明】L.A
BQ
=
L.A
CR
=
r
,
BH
QCAR
1 一 λ--x一-HQ
CA
RB
LBAP=LBCR=β , 設 LCAP=LCBQ=α , 當 MBC 為銳角三角形時,由孟氏定理 γ' 一 n- RY-n 一 γ' mm-n c 一 .mM +一 α RY-n n 一訂“
-b
α 一 n-G 一門
-h
得
簡
l巳個 VI "。 smα
bsinr
1 一 x____=,
V2 asm α +csmr asm β*
c-戶LV-ω-B
+一αA-s
-LU C-戶 uv 03-G 一 一-Ma 一門r= 三 -LA , 故得
β=33 ,
因 α=2-4
MCH _
v2_ b s e c B
MBC
VI+
v
2asecA
+
bsecB
+csecC
再得
MBH
csecC
MBC
asecA +bsecB+csecC '
M3
CH
ase心 AMBC
asecA+bse心 B+csecC'
M3
CH: MCH: MBH
=
asecA: bsecB:
csecC
同理C d
,
吼叫=在BCH la: μ CH Ib: μBH1
c = sec
A :
sec
B :
sec C
.,.
(叫)B
A
因此C
B
國 7BH.. QA.. CP
1 --x--x 一-,
HQ
AC
BP
圖 6 當 MBC 為鈍角三角形時(設LA>90° )
,由孟氏定理 Y' 一 β' 一n-Y'
一一 α β' 一 n Mcsm
y bsinα 一二-xx - - - =
I V2 asmα-csiny csinβ {七簡得 得y=LA-ffI2
,
α=π 12-LC , β=ffI2-LB
,
也**
*
c- ma--ρiw-的
-B
+一間A-s
-FO piv 一 ρiw os-G 一 VI V2 因 得u
, :2 • "2 • "2V, :w 。 W2
來求BP
=
csinβ , V 2,
接下來,透過計算吧, LBHP= π 12-LHBP= π 12 一 α , 4三AHQ= π 12-LQAH= π 12 一 α , 們 =csinβ COt(ff1
2 一 α)...
Q)
由 V
2
=HQ=AQcotLA 旬,又 AQ=csiny
,
代人上式得 V2
=HQ=csinycot(ffI2α) ...@ 由 U2
=
HP
=
BP
cot
LBHP
, 又代人上式得
A~
csmy
又 AH= 一一之一=一一一一一
,
sin
LAHQ
sineπ12 一 α).
由 W2
=
HR
=
AH
cos
LAHR
LAHR
=
ff 1
2 -
LHCP
=
ff 1
2 一 β , W司 csinYCOS(ff 1
2 一 β) 司 =HR= ,sin(ff
1
2 一 α)代人上式得
由Q) @@t旱in
YCOS(ff 1
2 一 β) U2 : V2 : W 2= c
sinβ COt(ff 12 α): c sin
Y
cot(
ff 1
2 一 α):
科學教育月刊 第 356 期 中華民國 102 年 3 月
。:_..+__~.
smysmp _
~:_ Dsm
α s mα.smysmp
= sm
fJ
tan
α:smytan
α. 一一一一-一=sm fJ-一一一 :smy一一一一.一一一一一'cos
αcosαcos αcos α1
1
1
=于一一 --τ-一一=
-
sec
A :
sec
B :
sec C ... (
*
*叫)smy smp
smα c- pu-戶LW-ω-B
+一前A-s
了 O P--戶 LW 03-G 一門
-n
得
*
占**
/sz 、、*
/sz 、、 由 一 | bsecB+csecC Iw
,
lasecA+bsec
Bl
同理之=I
~ ~-- ~ ,~ ~-- ~I
,
-.:..:L=
1-
~--••
, ~,V__
~1
U2 lase心 AI'
W 21
csecC
I
由(料)(川*)得到:
V2:叫=叫:
d
2 :d
3= Isec
AI :
Isec
BI :
Isec
CI 證畢。
2.
由
u
1=1bsecB
+csecCIu"
V,
=
I as叫 +csecCIv,
,
=
I IU, . V,=
I IV司I
asecA
IιιIbsecB
I·
Z-W
B- pu-ρLV-的
-c
+一前A-s
-PL PU 也 戶LW nb-a 一 iw
又 U
2
:v
2:叫 =Is郎 AI:
IsecBI: Isec
Cl,
故得 U,
:
VI: 叫 =IbsecB
+ csecCI:lasecA+
cs閃 cl:las自 A+bs即 BI ( 引理 4.3
)
a b c
= Icos
AI :
Icos
BI :
Icos CI
證畢。
~理 8 :如圖 8 及圖 9 ,令 z=O 為 MBC 的外心,
1
叫:
d
2 :d
3= Icos AI :
I∞sBI:1∞sCI·
2.
MCO: 在臼0:μBO= αIcosAI: bl伽利 :clcosCI
3
丘 -blωsBI +clcos 叫立 =αIcosAI +巾的 CI 丘 -alcos
AI
+ blcos BI
U2 一
αIcos AI
'
v2 -blcos
BI
'
w2 -clcos CI
4.
u
I
:v
I:w
I=1:
1:
1
,
u
2:v
2:w
2=al∞sAl
b
Icos
BI
c Icos CI
,
" 2 ' · 2 ' ' ' 2 -blcosBI +
~~osCIαIc的 AI+clc的 CI' al∞sAI+blcosBI
B
圖 8
A
C
【誼明】
圓 O 為 MBC 之外接圓,半徑為 R , 做 OD -l BC:
l
當叫的銳角三角形,得 3ω=jdOC=4
在 MOD 中 ,
d l
=
Reos
L.
BOD
=
ReosA , 同理 d2 =
ReosB 、 d3 =
ReosC
得證 d,
:
d 2 : d
3=
eosA: eosB:
eosC
...(吋當 MBC 為鈍角三角形(L.A
>
90°) ,因 L.BOD = π - L.A , 在 M30D 中,d l
=
Reos
L.
BOD
=
-ReosA , 另 d2 =
ReosB 、 d3 =
ReosC
,
得證 d
,
:
d
2 :d
3= - eos
A :
eos
B :
eos C ...
(* *)
由(* )(“)得叫 d
2
:d
3= leosAI: leosBI: leosCI
2.
3.
AP
u, 崎 假設 BC 壇上的高為 d, 當 MBC 為銳角三角形時:得-=-=斗」二乙=---:-,OP
u2
d
l又
d=AABC=
MOC+MOC+MOB
=
ad
,
+
bd2
+
cd)f
目
UI
+u2 =adl
+
bd2
+
cd)
d
,
MOC
MOC
a
吭,守門
叫
一 一故此
ι -bd--
司L. +cd、
于一土...們)U2
aal
AP
u,
-u高 當MBC
為鈍角三角形 (L
三A>
90° )
:得===」一」=7
,
OP
u
2d
l又 d
=AABC=
-MOC+ MOC+ MOB
=叫 +bd
2
+c俏,
一 一
d l
MOC
MOC
ad
,
扎 -u,-ad,
+bd吋 +cd,u.
bd兩 +cd、 得二 1 ..乙= 1 _..L _..j ,故一上 =-L于斗...(叫)U2
aal
U2
aa
,
bleos
BI
+ cleos CI
由們(叫)及叫:吭 :d
3
=1∞sAl:
leos BI :
I∞sCI ,得丘=
U2
aleosAI
_ aleos
AI
+ cleos CI
wI _ aleos
AI
+ bleos
BI
同理二L 一
一一-V2
bleos訓
,
w2
巾的 CI
由 u, =al ∞sAl
u..
V,=
bl∞sBI
V.
_W 一
cl∞sci
2 -
bleosBI+cleos
C
I 門, '2αleosAI+cleosCI'I'
"2-
al∞sAI+bl∞sBI'"
αleosAI
bl∞sBI
cl∞sCI
又 u
I = VI = WI =
R
, 得叫 :V,: W 一
b
leos
BI
+ c leos
CIαleos AI
+ c leos
CIαleos
AI +
b
leos
BI
證畢 O科學教育月刊 第 356 期 中箏民國 102 年 3 月
是足理 9:
如圖 10 , MBC 中 ,
a>c>b
,
<乙 A , L三 B, LC 內的傍心分別為 A' , B' 及 C'
,
L三 A , L三 B ,
LC
的內角平分線與對邊分別相交於P ,
Q
,
R 且外角平分線與對邊分別相交於 p' ,
Q'
,
R'
,
則:l
對於三傍心 A' , B' 及 C' 有,AA'
b+c
BB'
a+c
CC' α +b(I)
._--
=一一, -=-=一一, -==一一PA'
a
QB'
b '
RC'
c
一一一一一τ- cos(A
1
2) . ∞s(BI2) ,cos(C/2)
(2)
AA': β'B':CC 一 一一一一一一一一一一一一一,α(一α +b+c) b(α -b+c) c(α +b-c)
一一一一一「-
cos(AI2)
.
cos(B 12)
.
cos(C
12)
PA':QB':RC
一(b+c)(一。 +
b
+
c) (
a
+
c
)(α -b+c) (α +b)(a+b-c)acot(AI2)
,bcot(BI2)
,ccot(C/2)
(3) 叫 'BC:MB'C:MBC'= 一一一一一一一一
(一a+b+c)2'(α -b+C)2'
(a+b-c)2 '
P'
一一- cot(A
12)
,cot(BI2)
,cot(C/2)
(4)
d(A'
,
BC): d(B'
,
AC):
d(C', AB) 一 -一一一一一一一一一一一一(一。 +
b+C)2 '
(σ -b+C)2'(a+b-c/ .
2.
對於傍心 B' 有,(1)
丘=三二至
U 2a
VIa+c
WIa-b
V 2b '
w
2 Ccos(A/2) ∞s(B
/ 2)cot(B /
2)cos(C / 2)
u
,
:V
,
:W
,
=
,
,
,
a(-a
+
b
+
c)
b(α -b+c)
c(α +b-c)(2)
sin(A/2)
cos(B/2)
sin(C/2)
u句 :v句:
w
,.., ==一一-一一一-一.一-一一一-一一 -一一一-一一-~ ~ ~c-b
a+c
a-b
(3)
咕:d
2:d
3=
1:
1 汀,(4)
M'BC: M'AC: M'AB
= α:b:
c.
(5)
BB'
MBB'AB
x
AB'
x sin
LBAB'
QB'
MQB'
AQxAB'xsinLQAB"
ζA 外角為 2β。'【證明】
1.(1)設 LA=2α。'
sin
LQAB'
=
sinβ ,又立豆_
_c
AC
= 主丘,
a+c
a+c
CC' α +bRC'
c
AA'
b+c
PA' αBB'
--一一一,同理QB'
b
其中 sinLBAB'=
sin(2π 一月=slnβ ,AB
-==一一一一=一一,故得AQ
bc/(α +c)b '
4 目 ↑守BB'
a+c
._ BB'
α+c 一一 月牛 f 一一 (2) 由==一一二 得-=-=一一一一,得BB'= 二千之-QBQB'
b ' "" QB
a-b+c'
"~--
a-b+c
其中豆豆為角平分線,由系理3.2 得豆豆=坐三cos手,代人上式
a+c
L一-
a+c
2ac
B
2ac
BB'= 一一一一-x 一一三-cos- =一一一二-cos 一
a-b+c
a+c
2
a-b+c
2
c-2
-r
一--:-:2bc
A
AA'= 一一一一-cos-.-a+b+c
2
目守 dA'. 旬,,一一一一一τ
cos(A/2)
. cos(B/2).
cos(C/2)
AA':BB':CC'=
---,--<-,一一一一一一一.一一一一一一 α(-a+b+c)
b(α -b+c) c(α +b-c) 同理得 化簡得 一 口 - -. . - -
-PA': QB':R
C'
= 于二-AA':- -
-BB':--γ CC'o+c
a+c
a+o
cos(A /
2 ) .
cos(B /2)
.cos(C /2)
(b
+
c)(一。 +b+c)(a+c)(a-b+c) (a+b)(a+b-c)
故得AB'
c-b
由志理 9.2 (1)得斗-~=一一, U2 P'B' αMB'C =.!.AB'CB'sinB'.
2
(3)
zζA :r -LC ζA+LC:r
LB
又 ζAB'C= π 一一一一一一一一一一=一一一一=一一一一2
2
2
2
2
一…CB'
=
-=---:::一 CR' α -b+c 同理科學教育月刊 第 356 期 中華民國 102 年 3 月
4三B ,
B
LL.. / . ' " • • _ •~1
c -
b
一-=-:a-b
一一得
sin B'
=
sin(一一一一)=
COS
-=
,故得 MB'C=~x 一一一-AP'x 一一一-CR'xcos2
2'
2 .
2
a-b+c
a-b+c
一-::-:
2bc.
A 一-=2ab
. C
又由系理 3.3 得 AP'= 一--:-
Sill -::-
,侃'-一 -S Ill-::-
,
c-b
2'
a-b
2
1
c -
b
2bc . A
a - b
2ab .
C
B
MB'C=~x 一一一一一一一-S Ill-X
S
Ill-
Xcos-2
a-b+cc-b
2
a-b+ca-b
2
2
2ab
2c
. A
B.
C
=-一一一一一一一--=-
Sill
一-COS 一- S Ill-一(a-b+cY
2
2
2
2a
2bc
A . B . C
.. _ _.
2abc
2•
A . B
C
M'BC=
-cos'="='sin'="'sin-=-.
MB
C'
= 一一一一一一-=-S
Ill-
S
Ill-
cos-(-a+b+c)"
2
2
2 .
(a+b-cY
2
2
2
,_
a cot( A I 2) . b cot( B I 2) . c cot( C I 2)
化簡得叫 'BC:
MB'C: MB
C'
=
v 一一一一.,
.一一一一-(一a+b+cY
(a-b+cY
(a+b-c)
故得 同理 1
AB'
AB
' A2.
(1
)之--=--=-,由朱理 3.3 得 CP'=
abl(c-b)
,
U2B'P'
BP'
.~u
,
AB
得 BP'=
CP'+BC
=
abl(c-b)+ α = ac/(c-b) 故得斗= Cc-b
U2BP'
。c/(c-b)。
BB'
同理主=旦二豆,又由系理9.1 (1)得之----一一
W 2 c " _.. - . . . V2QB'
b
(2)
AB': BB' : CB'
=
AA' cot B' : BB' : CC' cot B'
=
AA ' : BB' tan B' : C
C'
由系理 9.1(2)及 ζAB'C
=
Jr12-L三B12 ,一一一一 I' n'
cos(A I 2)
cos(B 12)
. . . . f ' ' " ' n',""
cos(C 12)
得 AB':
BB': CB'
=
---,'" -/
:一一一一一個n(Jr /2-BI2):一一一一一一。(-a+b+c) b(α -b+c) c(α +b-c)
cos(A 12)
cos(B I 2)cot(B I 2)
COS(C 12)
。(一α +b+c) b(α -b+c)
c(α +b-c)AB'
c-b
一一-a
一一 一一-c
一一一(3)
由==一一一, t尋 P'B'= 一一一一-AP' , 同 f.l R'B'= 一一一一-CR' ,P'B'
a
a-b+c
a-b+c
BB'
a+c
一一 h 一一一 又由 9.1 (1)之--=一一,得仰'=-~-BB',QB'
b"
-
-
a+c
一一一一一一一一一=-:a
一一- 0 一一一 則 P'B':QB':R'B'= 一一一-AP': 一二一郎'.一一一一白,a-b+c
a+c
a-b+c
。 2bc
. A
b
2ac
B
c
2ab.
C
一一一一-一一-Sill 一:一一一一一一一一一一-COS 一:一一一一一一一一一一-S
Ill-a-b+c c-b
2 a+c a-b+c
2 a-b+c a-b
2
畢
證
弓 h /了 O C--叫一。 可 h //-C B 一+ dM 「-G O 一 尸UV 一 句 h 一 /I 一'。 A 月一一 昕一 C肆、後記 筆者曾從西瓦、孟氏定理推導出另一種判別三線共點的充要條件(載於參考文獻 1