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刘瑞祥:我对圆幂定理逆定理的证明

已有 4965 次阅读 2018-10-10 11:39 |个人分类:数学|系统分类:科普集锦

说明:圆幂定理是什么我就不说了,众所周知的是它包括三种形式,这里只对其中一种形式下的逆定理进行证明。《几何原本》第三卷命题37对圆幂定理的其中一种情况的逆定理进行了证明,并没有用到相似及四点共圆。以下证明是我仿其所作的另外一种情况的圆幂定理逆定理的证明,主要用到了勾股定理和平方差公式。既然称作仿作,当然这里也没有用到三角形外接圆。虽然《原本》里没有下面用到的平方差公式,但这关系不大。


两线段AB、CD相交于点E,且AE、BE上长方形等于CE、DE上长方形,则可证A、B、C、D四点共圆。

证明过程:

首先,当两条线段互相平分时,即AE等于EB且CE等于ED,这时因为AE、BE上长方形等于CE、DE上长方形,

所以AE、BE、CE、DE的每一个都相等,

即A、B、C、D四点共圆,且E为圆心。(第一种情况证明完毕。——刘注)

其次,当AB垂直平分CD时,

03-37-1.png

连接C和AB中点H。

因为三角形CEH是直角三角形,

所以CH上正方形等于EH上正方形加上CE上正方形,【勾股定理】(CH2=EH2+CE2。——刘注)

又因为CE等于DE,

所以CH上正方形等于CE、DE加上EH上正方形。(CH2=EH2+CE×DE。——刘注)

而CE、DE等于长方形AE、BE,

所以CH上正方形等于长方形AE、BE,加上EH上正方形。(CH2=EH2+AE×BE。——刘注)

又因为AH等于BH,所以长方形AE、BE等于AH与EH的差、AH与EH的和组成的长方形,AE×BE=(BH+EH)(AH-EH)。——刘注)

即长方形AE、BE等于BH上正方形减去EH上正方形,【平方差公式】(AE×BE=BH2-EH2。——刘注)

所以CH上正方形等于BH上正方形,(CH2=BH2。——刘注)

即CH等于BH。

类似可证DH也等于AH,且H是AB中点,

即A、B、C、D四点共圆,且H是圆心。(至此,第二种情况证明完毕。——刘注)

再次,对于其它情况:

03-37-2.png

作AB和CD的垂直平分线FH和GH,二者交于H。

连接AH、CH、EH。

因为三角形EFH是直角三角形,所以FH上的正方形等于EH上的正方形减去EF上的正方形。【勾股定理】(FH2=EH2-EF2。——刘注)

两边同时加上AF上的正方形,即FH上的正方形加上AF上的正方形等于AF上的正方形减去EF上的正方形,再加上EH上的正方形。(FH2+AF2=AF2-EF2+EH2。——刘注)

而因为三角形AFH是直角三角形,所以FH上的正方形加上AF上的正方形等于AH上的正方形,【勾股定理】(FH2+AF2=AH2。——刘注)

即AH上正方形等于AF上的正方形减去EF上的正方形,再加上EH上的正方形。(AH2=AF2-EF2+EH2。——刘注)

又因为AF上的正方形减去EF上的正方形,等于AF与EF的和,及AF与EF的差构成的长方形,【平方差公式】(AF2-EF2=(AF+EF)(AF-EF)。——刘注)

且AF与EF的和即为AE,AF与EF的差即为BE,这是因为BF等于AF,

所以,AH上正方形等于长方形AE、BE,加上EH上的正方形。(AH2=AE×BE+EH2,第一步证明完成。——刘注)

类似的,可以证明CH上的正方形等于长方形CE、DE,加上EH上的正方形。(CH2=CE×DE+EH2,第二步证明完成。——刘注)

又因为,长方形AE、BE等于长方形CE、DE,

所以AH上的正方形等于CH上的正方形,

即AH等于CH。(第三步证明完成。——刘注)

因为H是AB、CD垂直平分线上的点,

所以BH也等于AH,DH也等于CH,四者都相等,(第四步证明完成。——刘注)

所以A、B、C、D四点共圆,且H是圆心。(至此,第三种情况证明完毕。——刘注)



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