三点外接圆_故地重游伪切圆——伪外接圆的基本性质
在思考一個有關于偽外接圓的等角線問題時,我回想起偽外接圓的一道小題目,這是2012年羅馬尼亞大師杯的第六題,這道題目直接以結論的形式呈現出了偽外接圓的基本性質,是一道入門偽外接圓必做的精巧小題。
當然有些讀者可能從未見過"偽外接圓"這一名詞,這里給出定義敘述:過三角形兩點且與內切圓相切的圓成為此三角形的偽外接圓。
由于偽外接圓與內切圓相切,所以一般也歸于廣義的偽切圓。
由地位的對稱性,我們知道一個三角形有三個偽外接圓,在這道題目中這三個圓就是ω_a,ω_b,ω_c。
題目本身的圖很容易想象,所以這里就略去了畫圖這一步驟了,待后面有必要時再畫。
第一句話AA',BB',CC'三線共點是一句廢話,這由根心定理立得。然這樣的證明對后一句話沒有任何幫助,因為想證明此點在IO上的話,就不得不把這個點本身刻畫出來。
設△ABC的內切圓與BC,CA,AB分別切于D,E,F,與ω_a,ω_b,ω_c相切于X,Y,Z,設ω_a中弧BC的中點為L,ω_b中弧CA的中點為M,ω_c中弧AB的中點為N。下面我們通過局部化來對本題中ω_a的性質進行探索。
在兩圓位似的觀點下,XD顯然過弧BC的中點L,這說明∠LCD=∠BXD=∠LXC,得到△LCD∽△LXC,于是LB2=LC2=LD×LX,所以L在○I與點圓C的根軸上。同理M也在○I與點圓C的根軸上。
于是直線LM⊥IC,LM∥DE,且LM經過線段CD,CE的中點。
設XD與YE交于K,已知D,E,X,Y四點共圓且LM∥DE,由Reim定理知L,M,X,Y四點共圓,于是KL×KX=KM×KY,說明K在ω_a和ω_b的根軸CC'上。由地位的對稱性,K也在直線AA'和BB'上。
下面來證K在直線IO上。
已經得到LM∥DE,同理MN∥EF,NL∥FD,故△LMN與△DEF位似。
設△ABC的旁心三角形為I_aI_bI_c,則L,M,N分別是線段DI_a,EI_b,FI_c的中點,且△I_aI_bI_c與△DEF位似,也與△LMN位似,位似中心均為K,則△I_aI_bI_c,△DEF的兩個外心和K這三點共線。
注意I是△DEF的外心兼△I_aI_bI_c的垂心,O是△I_aI_bI_c的九點圓圓心,于是IO經過△I_aI_bI_c的外心。前面已證K在△I_aI_bI_c外心與I的連線上,現在又知這條線就是IO,所以原命題得證。
附加探索:
根據△I_aI_bI_c與△LMN位似比為2:1(這個比例是由于LM經過線段CD,CE的中點)還可以立刻得到O是△LMN的外心。
作DD'⊥EF于D',類似定義E',F'。已知I_aA⊥I_bI_c且△DEF與△I_aI_bI_c位似,所以D'和A是位似對應點,從而A,D',K共線,進一步得到△D'E'F'與△ABC位似,且位似中心為K。
由這道題及上面的附加探索,我們得到偽外接圓相關的幾個基本結論:
最后附上本文最初提到的那道等角線的題目,此題我尚未做出,難度未可知,請讀者慎重嘗試。如圖所示,證明標注的兩個角相等。
總結
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