5.与三角形的“四心”有关的高考连接题及其应用

例1:(2003年全国高考题)是平面上一定点,A、B、C是平面上不共线的三点,动点P满足,,则动点P的轨迹一定通过△ABC的(  )

(A)外心    (B)内心  

(C)重心    (D)垂心   

事实上如图设都是单位向量

易知四边形AETF是菱形   故选答案B

例2:(2005年北京市东城区高三模拟题)为△ABC所在平面内一点,如果,则O必为△ABC的(  )

(A)外心   (B)内心   (C)重心   (D)垂心    

事实上OB⊥CA      故选答案D

例3:已知O为三角形ABC所在平面内一点,且满足

,则点O是三角形ABC的(  )

(A)外心   (B)内心   (C)重心   (D)垂心   

事实上由条件可推出      故选答案D

例4:设是平面上一定点,A、B、C是平面上不共线的三点,

动点P满足,,则动点P的轨迹一定通过△ABC的(  )

(A)外心   (B)内心   (C)重心   (D)垂心      

事实上   故选答案D

例5:2005年全国(I)卷第15题“的外接圆的圆心为,两条边上的高的交点为,,则实数=________”

先解决该题:

作直经,连,,有,,,,,故,

故是平行四边形,进而,又

∴

故,所以

评注:外心的向量表示可以完善为:

若为的外心,为垂心,则。其逆命题也成立。

例6.已知向量,,满足条件++=0,||=||=||=1,

求证:  △P1P2P3是正三角形.(《数学》第一册(下),复习参考题五B组第6题)

证明:  由已知+=-,两边平方得·=,

 同理 ·=·=, ∴||=||=||=,从而△P1P2P3是正三角形.

反之,若点O是正三角形△P1P2P3的中心,则显然有++=0且||=||=||,即O是△ABC所在平面内一点,

++=0且||=||=||点O是正△P1P2P3­的中心.

4. 欧拉线的4种证法

三角形的外心、重心、九点圆圆心、垂心,依次位于同一直线上,这条直线就叫三角形的欧拉线。

在△ABC中,已知O、G、H分别是三角形的外心、重心、垂心。求证:O、G、H三点共线,且OG:GH=1:2。(证九点园园心在欧拉线上略,可查有关资料)

 欧拉线的证法1:(平面几何法)

 关于欧拉线的介绍详见:欧拉线,下面是欧拉线的证明

如图,H、G、O分别是△ABC的垂心、重心、外心, 连AH,作△ABC的外接圆直径BOD, 再连DC、DA,则DC⊥BC…①,DA⊥AB…② ∵H为△ABC垂心 ∴AH⊥BC…③,CH⊥AB…④ 由①、③可知DC∥AH,由②、④可知DA∥CH,故四边形ADCH为平行四边形,∴AH=DC。

∵点O与点M分别是BD、CB的中点 ∴DC=2OM,即AH=2OM。 作BC边上的中线AM,连OM、OH;设OH交AM与点G' ∵OM⊥BC,△AHG'∽△MOG',AH=DC=2OM, ∴AG'=2G'M,因此G'即△ABC重心G。 故△ABC的垂心H、重心G和外心O三点共线,直线HGO即欧拉线。

评注:利用垂心H、外心O作为已知,证中线AM与OH的交点G'为重心。

 欧拉线的证法2:(平面几何法)

 设H,G,O,分别为△ABC的垂心、重心、外心

连接AG并延长交BC于D, 则可知D为BC中点。

连接OD ,又因为O为外心,所以OD⊥BC。连接AH并延长交BC于E,因H为垂心,所以 AE⊥BC。所以OD//AE,有∠ODA=∠EAD。由于G为重心,则GA:GD=2:1。

连接CG并延长交BA于F,则可知D为BC中点。同理,OF//CM.所以有

∠OFC=∠MCF

 连接FD,有FD平行AC,且有DF:AC=1:2。FD平行AC,所以∠DFC=∠FCA,∠FDA=∠CAD,又∠OFC=∠MCF,∠ODA=∠EAD,相减可得∠OFD=∠HCA,∠ODF=∠EAC,所以有△OFD∽△HCA,所以OD:HA=DF:AC=1:2;又GA:GD=2:1所以HA: OD=GA:GD=2:1,又∠ODA=∠EAD,所以△OGD∽△HGA。所以∠OGD=∠AGH,,所以∠OGD +∠OGA=180°,所以∠AGH +∠OGA =180°。即O、G、H三点共线。

评注:利用重心G、外心O作为已知,证垂心H在直线OG上。

欧拉线的证法3:(向量法)

设H,G,O,分别为△ABC的垂心、重心、外心.

①若为的外心,为垂心

求证:。

作直经,连,,有,,,,,故,,故是平行四边形,

故

②若为的外心,G为重心

求证:

证明

∵G是△ABC的重心

∴==,即

由此可得.(反之亦然(证略))

③由①,由②

∴,

所以O、G、H三点共线.

欧拉线的证法4:(向量的坐标法)

在△ABC中,已知Q、G、H分别是三角形的外心、重心、垂心。求证:Q、G、H三点共线,且QG:GH=1:2。

[证明]:以A为原点,AB所在的直线为x轴,建立如图所示的直角坐标系。设A(0,0)、B(x1,0)、C(x2,y2),D、E、F分别为AB、BC、AC的中点,则有:

由题设可设,

,

即,故Q、G、H三点共线,且QG:GH=1:2

[注]:本例用平面几何知识、向量的代数运算和几何运算处理,都较麻烦,而借用向量的坐标形式,将向量的运算完全化为代数运算,这样就将“形”和“数”紧密地结合在一起,从而,很多对称、共线、共点、垂直等问题的证明,都可转化为熟练的代数运算的论证。

2.三角形的“四心” 定理的平面向量表达式及其证明

①是的重心(其中是三边)

证明:充分性是的重心

若,则,以,为邻边作平行四边形,设与交于点,则为的中点,有,得,即四点共线,故为的中线,同理,亦为的中线,所以,为的重心。

必要性:是的重心

如图,延长交于,则为的中点,由重心的性质得.     

∵∴

②点是的垂心

证明:是的垂心,

同理

故当且仅当.

③点是的外心.

证明:O是△ABC的外心||=||=||(或2=2=2)(点O到三边距离相等)

(+)·=(+)·=(+)·=0(O为三边垂直平分线的交点)

④是的内心。(其中是三边)

证明:充分性: 是的内心

=

所以,而,分别是,方向上的单位向量,所以向量平分,即平分,同理平分,得到点是的内心。

必要性:是的内心

若点O为的内心,延长交于,由三角形内角平分线的性质定理,有,于是

再由,有(定比分点)代入前式中便得.

必要性证法二:设O是内任一点,以O为坐标原点,OA所在直线为x轴,建立直角坐标系。并设

     

显然不共线,由平面向量基本定理,可设则  

 (ⅰ)若O是的内心,则 

故  

必要性得证.同时还可得到以下结论

(ⅱ)若O是的重心,则

故

(ⅲ)若O是的外心

则

故

(ⅳ)若O是(非直角三角形)的垂心,

则

故

证明:(A 、E、O 、F四点共圆)同理

因此只需证

先证第一个等式

(E 、C、D、O四点共圆,为的补角;E 、O、F、A四点共圆,为的补角)所以上式成立,即第一个等式成立。同理可证:该连等式成立,原题得证。

评注:一箭四雕,需要提醒的是,这里只探求了三角形内心向量形式的必要条件,充分性并未证明。

 0  245011  245019  245025  245029  245035  245037  245041  245047  245049  245055  245061  245065  245067  245071  245077  245079  245085  245089  245091  245095  245097  245101  245103  245105  245106  245107  245109  245110  245111  245113  245115  245119  245121  245125  245127  245131  245137  245139  245145  245149  245151  245155  245161  245167  245169  245175  245179  245181  245187  245191  245197  245205  447090 

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