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提升數學素養對於中高考的隱性作用

近年來,許多地區在考察同學們的幾何綜合能力時,傾向於提出一些看似課本之外的新型概念,但實際上這些問題都是源自於古老而經典的初等平幾史。有些地方的輔導機構甚至校內同步已經提出了專題專法,如費馬點,阿波羅尼斯圓,米勒張角,阿基米德三角形等,我們今天來總覽一下,看三角形中滿足某種特點條件的點線有哪些可考:(以下均考慮任意銳角三角形)

1、到三頂點距離相等的點。

這是我們熟知的三角形的外心,它是三邊垂直平分線的交點,它對於每條邊的張角均等於該邊所對頂角的兩倍。外接圓的半徑可由正弦定理求得。

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2、到三邊距離相等的點。

若這點在三角形內部,則是我們熟悉的內心;若指的是到三邊所在直線的距離,則還應包含三個旁心。它們均是由三條角平分線相交所得,內心是三條內角平分線,旁心是兩外角平分線與另一內角平分線。其半徑可由面積法求得:

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注:旁切圓與三角形一邊的切點即是等分周長點,這是我們講過的奈格爾點的來源。

3、到三個頂點距離之和最小的點。

由競賽及中考炒起熱度的費馬點,它是一個典型的由旋轉構造的最短路徑問題。這個點有一個很強的特徵:它對每條邊的張角都是120°,也和手拉手模型有不解之緣。其最短路徑的求法採用勾股定理及可。

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4、三個頂點到某一直線的距離相等。

這樣的直線有三條,恰是三角形三條中位線所在的直線。我們可以先退而假設有兩點A、B,尋找一條直線l,使得A、B到l的距離相等。這分兩種情況:l與AB連線平行或不平行。

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最後再考慮三個點的系統,既得所求為三條中位線所在直線。

5、同時等分周長面積的直線。

若要等分三角形面積,中線就能做到,甚至我們可以過三角形內任一點作面積等分線(這絕不簡單);而等分周長也有過旁切圓切點的塞瓦線,但令人驚訝的是,存在同時等分三角形周長與面積的直線!例如,對於等腰三角形來說,三線合一就是這樣的雙等分線。但更妙的是,對於任意三角形,這樣的直線總是存在的!一個已知的基本事實是:過三角形內心的直線,若平分三角形面積,必同時平分三角形周長(這一性質高中聯賽考過)。

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這樣我們只需考慮直線滿足兩個條件:①過內心;②平分面積,即可實現雙平分。

最後我們照例提兩個開放性的問題,大家可以各抒己見:

1、到三邊距離之和最小的點是否存在?如果存在是在哪裡?

2、與三邊夾角相等的直線是否存在?如果存在滿足怎樣的性質