初3第5課費馬點及其應用

2023-01-29 06:54:07 字數 2515 閱讀 7461

【知識綜述】

給定△abc,在其內部找一點p,使得pa+pb+pc最小.

分析:把△bap繞點b旋轉60,得△bdm,則△bpm是等邊三角形,

因此pa+pb+pc=dm+mp+pc≥cd.當且僅當d、m、p、c四點共線時取等號.

此時,因為∠bpm=60,所以∠bpc=120.同理∠bpa=∠bmd=180-60=120,因此也有∠apc=120.

至此,我們得到:使得pa+pb+pc最小的點p必須滿足∠apb=∠bpc=∠cpa=120.

這個點,我們稱為費馬點.17世紀法國數學家皮埃爾·德·費馬在一封寫給義大利數學家埃萬傑利斯塔·托里拆利(氣壓計的發明者)的信中提出這個問題,托里拆利成功解決了這個問題.19世紀的數學家斯坦納重新發現並解決了這個問題,因此這個點也稱為托里拆利點或斯坦納點.

根據以上解法,我們可以得到費馬點的作圖方法:分別以ab、bc為邊,向外作等邊△abd和等邊△bcf,連線af和cd交於點p,則點p就是費馬點.

證明:根據sas得△bcd≌△bfa,因此∠baf=∠bdc,因此a、d、b、p四點共圓,因此∠apb=120,同理∠bpc=120.進而可得∠apc=120,因此a、p、c、e也共圓.

也就是說,af、cd、be三線共點,只要作出三個等邊三角形中的任意兩個,都可以得到費馬點.

不妨設∠bac最大,讓∠bac從銳角慢慢變大,當∠bac=120時,可以發現,費馬點就是點a;當∠bac>120時,點a在△bpc的內部,熟知結論pb+pc>ab+ac,因此費馬點就是點a.這樣,我們就得到了比較完善的結論.

定理:當△abc的最大角小於120時,費馬點在△abc的內部,且對三邊的張角都是120;當△abc的最大角a大於等於120時,費馬點就是鈍角頂點a.

易得費馬點的性質:dp、fp、ep分別平分∠apb、∠bpc、 ∠apc.

追問:若把上面的三個等邊三角形分別沿著△abc的三邊翻摺到對面去,那麼直線af、be、cd還共點嗎?若q是cd和af的交點,只要證明q點在be上即可.

作出下圖,依然有△baf≌△bdc,因此∠baf=∠bdc,因此a、b、d、q四點共圓,因此∠bqd=∠bad,表明q在直線be上.得證.

【典型例題】

例1. △abc中,∠bac=120,在△abc的外側作正三角形bcd,連線ad,求證:ad=ab+ac.

分析1:在ad上擷取ae=ac,因為∠cad=∠dbc=60,所以△ace是等邊三角形,因此ca=ce.根據sas可得△cab≌△ced,因此ab=de,所以ad=ab+ac.

分析2:利用托勒密定理,,又因為bd=bc=cd,因此ad=ab+ac.

例2.正方形abcd的邊長是4,點m在對角線bd上,確定m的位置,使得ma+mb+mc最小.

分析:所求點m就是△abc的費馬點,如圖作出等邊△abe,則m是ce和bd的交點.

【變式練習】

1.如圖1,在△abc中,∠acb=90°,點p為△abc內一點.

(1)連線pb,pc,將△bcp沿射線ca方向平移,得到△dae,點b,c,p的對應點分別為點d,a,e,連線ce.

①依題意,請在圖2中補全圖形;

②如果bp⊥ce,bp=3,ab=6,求ce的長.

(2)如圖3,連線pa,pb,pc,求pa+pb+pc的最小值.

小慧的作法是:以點a為旋轉中心,將△abp順時針旋轉60°得到△amn,那麼就將pa+pb+pc的值轉化為cp+pm+mn的值,連線cn,當點p落在cn上時,此題可解.

請你參考小慧的思路,在圖3中證明pa+pb+pc=cp+pm+mn.並直接寫出當ac=bc=4時,pa+pb+pc的最小值.

2.在△abc中,ab=ac,∠bac=α,點p是△abc內一點,且.連線pb,試**pa,pb,pc滿足的等量關係.

(1)當α=60°時,將△abp繞點a逆時針旋轉60°得到,連線,如圖1所示.由△abp≌△acp』可以證得△app』是等邊三角形,再由∠pac+∠pca=30°可得∠apc的大小為度,進而得到是直角三角形,這樣可以得到pa,pb,pc滿足的等量關係為 ;

(2)如圖2,當α=120°時,請參考(1)中的方法,**pa,pb,pc滿足的等量關係,並給出證明;

(3)pa,pb,pc滿足的等量關係為

3.在△abc中,∠bac=60°.

(1)如圖1,若ab=ac,點p在△abc內,且∠apc=150°,pa=3,pc=4,把△apc繞著點a順時針旋轉,使點c旋轉到點b處,得到△adb,連線dp

①依題意補全圖1; ②直接寫出pb的長;

(2)如圖2,若ab=ac,點p在△abc外,且pa=3,pb=5,pc=4,求∠apc的度數;

(3)如圖3,若ab=2ac,點p在△abc內,且pa=,pb=5,∠apc=120°,請直接寫出pc的長.

4.如圖,在平面直角座標系xoy中,點b的座標為(0,2),點d在x軸的正半軸上,∠odb=30°,oe為△bod的中線,過b、e兩點的拋物線與軸相交於a、f兩點(a在f的左側).

(1)求拋物線的解析式;

(2)等邊△omn的頂點m,n**段ae上,求ae及am的長;

(3)點p為△abo內的乙個動點,設m=pa+pb+po,請直接寫出m的最小值,以及m取得最小值時,線段ap的長.

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