39 求证:FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’,
40 △A’B’C’的外接圆是否经过某个定点?
41 求△A’B’C’垂心H的轨迹。
42 证明斯坦纳定理:△ABC外接圆上任一点关于三边对称点与△ABC垂心共线。
43 抛物线的四条切线,每两条切线交点与另两条切线交点连线中点共线(牛顿线定理)
44 对于一般的四条直线,交成四个三角形,证明这四个三角的外接圆交于一点。这四个三角形的垂心在同一条直线上。
39 求证:FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’,
思路:这显然和性质27有关。
以上三式相乘并开方即得FA*FB*FC=FA’*FB’*FC’。
注:本题是性质27的推论,当然也可以直接计算证明。
40 △A’B’C’的外接圆是否经过某个定点?
思路分析一:
切线的关键是切点,所以可以设出三条切线的切点为A,B,C,求出切线的交点坐标,然后设出外接圆的一般方程,将坐标代入,求出系数的表达式。最后让变量系数为0,即可求出定点坐标。
△A’B’C’的外接圆是否经过某个定点?
解答一:
思路分析二:
如果此圆过定点,此定点一定关于抛物线对称,因此最可疑的就是焦点F了。下面只需证明A’B’FC’共圆即可,只需利用到角公式算出一个角的正切值,对称得到另一个,说明其相等即可。
解答二:
思路分析三:纯几何证明
想到了前面性质9,
从而得到∠FPB=∠FQC=∠FQA=90°,
可以得到共圆,倒角即得结果。
解法三:
由前面性质9得∠FPB=∠FQC=∠FQA=90°,
故A'PQF共圆,
则∠FA'P=∠FQR,
同理∠FB'A=∠FQR,
故∠FB'A=∠FA'P,
故A'C'B'F共圆。
即△A’B’C’外接圆恒过抛物线焦点F。
注:
1、本性质既出乎意料,又在情理之中,是抛物线一个深刻而优美的性质,相对而言不是很常见。但是却是抛物线和圆的完美综合的问题。考察了抛物线的切线及三角形的外接圆方程及圆过定点的问题。既可以作为高考题(可以考察某些特例,例如让一条切线为y轴等),也可以作为竞赛题。可谓淡妆浓抹总相宜。
2、上面提供了三种解决思路,思路一是直接求出外接圆的一般方程。解决的关键是设出圆的一般方程,将三个点的坐标代入,消元解出参数D,E,F。思路直接自然,只要按部就班的利用对称性消元,化简代入即可,运算量也不算太大。而且外接圆的一般方程也非常优美,首先是关于三个点A,B,C的坐标是对称的,而且只含有三个点的纵坐标的和、两两乘积的和、三个的乘积。最后确定此圆过焦点几乎是显而易见的。思路二和三都是直接猜出定点为焦点F,然后通过对角互补证明四点共圆。思路二是解析硬算,当然还是用到了到角公式,这个公式非常简单但是也非常重要,我在前面很多文章中(如《2020年高联一试11题的七种解法》)也强调过其至关重要的作用。这样运算量会小了不少。而且从结果看∠FA’C的大小只和点C有关,这也是一个神奇而精妙的结论。思路三是纯几何的想法,主要想到了性质9,下面利用两个四点共圆即可得到第三个四点共圆。当然通过思路三的证明也顺便证明了思路二的角度关系,即∠FA'P=∠FQR=过C的切线的倾斜角。
3、对平面几何定理比较熟悉的读者可以发现,上述证法三其实是证明了西姆松(Simson)定理的逆定理。因此本结论等价于西姆松定理的逆定理。
4、当然本题有可能还有其他的证明方法,有兴趣的读者可以自行挖掘,并欢迎在交流区探讨交流。
5、结合性质35,不难发现其实本性质等价于性质31。
此即为第41题的答案。
注:这也是抛物线外切三角形的奇妙性质,上述证明相对比较简洁,基本思路就是充分利用对称性,先猜后证。当然也可以按部就班的写出两条高线方程,联立解出垂心坐标。不过运算量会大不少。此题难度也不算高,既考察了几何性质,又需要解析计算,如果有对称思维能大大简化运算,结果也很神奇。是一个难度合适的高考或者竞赛试题。
42 证明斯坦纳定理:△ABC外接圆上任一点关于三边对称点与△ABC垂心共线。
进一步,结合性质12的证明知F关于切线的对称点在准线上,又由性质13知F在切点三角形外接圆上,而由性质14知垂心在准线上,这样就证明了斯坦纳定理,即
△ABC外接圆上任一点关于三边对称点与△ABC垂心共线。
此即为问题42的证明。
43 抛物线的四条切线,每两条切线交点与另两条切线交点连线中点共线(牛顿线定理)
证明:
44 对于一般的四条直线,交成四个三角形,证明这四个三角的外接圆交于一点。这四个三角形的垂心在同一条直线上。
下面更上一层楼,考察抛物线四条切线围成的图形(一般把四条直线围成的图形称为完全四边形)。每三条切线可以围成一个三角形,这样就能得到四个外切三角形。由性质40知每个三角形的外接圆都经过焦点F。从而此四圆共点于F。又由性质41知四个三角形的垂心都在准线上,从而四个三角形的垂心共线。
反之,我们知道与四条直线都相切的抛物线是唯一的(一个相切相当于一个条件,四个条件可以确定一个抛物线)。这样我们就得到了对一般的四条直线构成的完全四边形,其中的四个三角形的外接圆共点于此抛物线焦点F,四个三角形的垂心共线于此抛物线的准线。这就是问题44的答案。
注:对平面几何熟悉的读者知道,此即为完全四边形的性质:密克点、垂心线。上面通过抛物线的性质曲径通幽,用解析法证明了上述结论,可谓另辟蹊径。而且还有进一步的结论,四条切线中,每三条切线围成的四个三角形外心共圆。囿于难度,这里就略去不讲了。
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