Processing math: 100%

2016/9/13

直角三角形中,內心到三頂點距離之乘積

直角三角形 ABC 中,C=90
內心 I 切三角形三邊於 P,Q,R,
設三邊長 ¯BC=a¯CA=b¯AB=c
內心到三頂點距離 ¯IA=x¯IB=y¯IC=z
內切圓半徑 =¯CQ=¯CR=r ,求證:

¯IAׯIBׯIC=xyz=2cr2

【代數證明】

直角三角形內切圓半徑 r=a+bc2 a+b=2r+ca2r=cbb2r=ca

又面積可用兩股求得,也可用內切圓半徑求得,故
ABC=12ab=12r(a+b+c) ab=r(a+b+c) =r(2r+c+c) ab=2r2+2cr

¯IAׯIBׯIC =¯RA2+¯RI2ׯQB2+¯QI2ׯRC2+¯QC2 =[(br)2+r2]×[(ar)2+r2]×[r2+r2] =(b22br+2r2)(a22ar+2r2)(2r2) =[b(b2r)+2r2][a(a2r)+2r2](2r2) =[b(ca)+2r2][a(cb)+2r2](2r2) =(bcab+2r2)(acab+2r2)(2r2) =(bc2r22cr+2r2)(ac2r22cr+2r2)(2r2) =[c(b2r)][c(a2r)](2r2) =c2(ca)(cb)(2r2) =c2(c2bcac+ab)(2r2) =c2[c2c(a+b)+ab](2r2) =c2[c2c(2r+c)+(2r2+2cr)](2r2) =c22r22r2 =4c2r4 =2cr2 得證。

【幾何證明】

ABCACB 的外角平分線交於 F 點,即 ¯BC 側的旁心與旁切圓,設切 AB,¯BC 於 S 和 T 點,則 I 和 F 皆到 AB,BC 等距離,得 A, I, F 三點共線。

AICABF 中,
¯AI 平分 BACCAI=FAB

AIC=180IACICA
=180(12BAC+12BCA)
=18012(180ABC)
=90+12ABC

¯BI,¯BF 分別平分 PBQ,SBT
IBF=IBQ+FBQ
=12(PBQ+SBT)=90

ABF=IBF+ABI
=90+12ABC=AIC

AIC∼△ABF¯AB:¯BF=¯AI:¯IC

BFA=ICA=45,故 BIF 是等腰直角三角形,¯BI=¯BF
¯AB:¯BI=¯AI:¯IC ,得:
¯AIׯBI=¯ABׯIC ¯IAׯIBׯIC=¯ABׯIC2¯IC=2r¯AB=c,故 ¯IAׯIBׯIC=2cr2 得證。

【思考】

內心到三頂點各自的距離是中三課內有時會出現的題目,只是單純的檢驗學生運用畢氏定理的計算能力,但是這三個線段乘積意外的和原來的斜邊有關,愈是特殊比例像是三邊為 5,12,13 的三角形,其乘積為 104=13×8,就愈看得出之間的關係,這麼一來就誘發學習者求知的欲望。代數證明稍微長了點但裡面的代換也很有趣,最絕妙的是幾何證明,利用了少見的內心與旁心創造出的相似三角形,同時也討論到內心的角度題 AIC=90+12ABC,其實中三在這塊的著墨不多有點可惜。

沒有留言:

張貼留言