九点圆

更新时间:2022-09-22 09:50

在任意的三角形中,三边的中点、三条高的垂足、三条高的交点(垂心)与三角形顶点连线的中点,这九个点共圆,通常称这个圆为九点圆(nine-point circle),或欧拉圆费尔巴哈圆

定义

任意三角形三条高线的垂足、三边中点以及顶点与垂心的三条连线的中点,共九点都在半径为1/2R(三角形外接圆半径)的圆上,且圆心是外心与垂心所连线段的中点。这个圆称为九点圆,这是庞斯莱命名的。

历史

数学家欧拉在1765年就发现了九点圆,因此人们称之为“欧拉圆”。这是几何学中很著名的问题,在18世纪与19世纪之交已广为流传。1804年英国的培亚敏俾凡在雷榜《算理之库》卷一第十八章中,正式提出“九点”问题,布德卫斯与韦唐给出了证明。1821年格盖尼和1822年彭色列先后正式发表这一问题。1822年德国人费尔巴哈在《直角三角形的一些特殊点的性质》里,发表了自己的证法,并且说九点圆与内切圆及三个旁切圆相切。这就是人们通常所称的“费尔巴哈定理”。1827年维兹在《哲学杂志》发表一篇论文,对九点圆进行了比较详细的论述。

证明

如图1所示,△ABC的BC边垂足为D,BC边中点为L。证法为以垂心H为位似中心,1/2为位似比作位似变换。

连结HL并延长至L',使LL'=HL;做H关于BC的对称点D'。

显然,∠BHC=∠FHE=180°-∠A,所以∠BD'C=∠BHC=180°-∠A,从而A,B,D',C四点共圆。

又因为BC和HL'互相平分于L,所以四边形BL'CH为平行四边形。故∠BL'C=∠BHC=180°-∠A,从而A,B,L',C四点共圆。

综上,A,B,C,D',L'五点共圆。显然,对于另外两边AB,AC边上的F,N,E,M也有同样的结论成立,故A,B,C,D',L',F',N',E',M'九点共圆。此圆即△ABC的外接圆⊙O。

接下来做位似变换,做法是所有的点(⊙O上的九个点和点O本身)都以H为位似中心进行位似比为1/2的位似变换。那么,L'变到了L(因为HL'=2HL),D'变到了D(因为D'是H关于BC的对称点),B变到了Q,C变到了R(即垂心与顶点连线的中点)。其它各点也类似变换。O点变成了OH中点V。

位似变换将圆仍映射为圆(容易用向量证明),因此原来在⊙O上的九个点变成了在⊙V上的九个点,且⊙V的半径是⊙O的一半。

这就证明了三角形三边的中点,三高的垂足和三个欧拉点都在一个圆上。

性质

九点圆具有许多有趣的性质,例如:

1. 三角形的九点圆的半径是三角形的外接圆半径之半;

2. 九点圆的圆心在欧拉线上,且恰为垂心与外心连线的中点;

3. 三角形的九点圆与三角形的内切圆,三个旁切圆均相切(费尔巴哈定理);

4. 九点圆是一个垂心组(即一个三角形三个顶点和它的垂心,共四个点,每个点都是其它三点组成的三角形的垂心,共4个三角形)共有的九点圆,所以九点圆共与四个内切圆、十二个旁切圆相切。

5. 九点圆心(V),重心(G),垂心(H),外心(O)四点共线,且HG=2OG,OG=2VG,OH=2OV。

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