第5章 张角定理及应用

第5章 张角定理及应用【基础知识】张角定理 设A ，C ，B 顺次分别是平面内一点P 所引三条射线PA ，PC ，PB 上的点，线段AC ，CB对点P 的张角分别为α，β，且180αβ+<︒，则A ，C ，B 三点共线的充要条件是：sin()PCαβ+=sin sin PB PAαβ+． 证明 如图5-1，A ，C ，B 三点共线ABP ACP CBP S S S ⇔=+△△△βαCBAP图5-1111sin()sin sin 222PA PB PA PC PC PB αβαβ⇔⋅⋅+=⋅⋅+⋅⋅ sin()sin sin PC PB PAαβαβ+⇔=+． 推论 在定理的条件下，且αβ=，即PC 平分APB ∠，则A ，C ，B 三点共线的充要条件是：2cos PCα= 11PB PA+． 注 若规定角的绕向，逆时针方向为正，否则为负，则上述定理、推论中的点C 可表示在AB 的延长线上的情形．上述定理把平面几何和三角函数紧密相联，它给出了用三角法处理平面几何问题的一个颇为有用的公式．用它去解几何题，适当地配合三角形面积公式、正弦定理、三角公式、几何知识，可以大大简化解题步骤，众多的几何问题可以简捷地解决． 【典型例题与基本方法】1．恰当地选择共一端点的两线段对同一视点的两张角，是应用张角定理的关键例1 如图5-2，已知ABCD 为四边形，两组对边延长后得交点E ，F ，对角线BD EF ∥，AC 的延长线交EF 于G ．求证：EG GF =． （1978年全国竞赛题）ββαGFEDCB A图5-2证明 以E 为视点，令BEC α=∠，CEG β=∠，分别对B ，C ，F ；A ，D ，F 及A ，C ，G 应用张角定理，得sin()sin sin EC EF EBαβαβ+=+， ① sin()sin sin ED EF EA αβαβ+=+， ② sin()sin sin EC EG EAαβαβ+=+．③又由BD EF ∥，有BDE β=∠，在△BED 中应用正弦定理，有sin()sin ED EBαββ+=． 由①+②-③-④，得2sin sin EF EGαα=， ∴ 2EF EG =，即EG GF =．例2 已知ABC △的顶点A ，B ，C 对应的三边长分别为a ，b ，c ，E 为其内切圆圆心，AE 交BC于D ．求证：AE b cED a +=． （1979年广东省竞赛题）证明 如图5-3，连BE 并延长交AC 于F ，令BAE α=∠，由于E 为内心，则EAF α=∠．以A 为视点，分别对B ，E ，F 及B ，D ，C 应用张角定理的推论，得FEDCBA图5-32cos 11AE AB AF α=+，2cos 11AD AB AC α=+． 上述两式相除，得()()AC AB AF AD AE AF AC AB +=+， 而1AD AE ED EDAE AE AE+==+， 从而 ()()AB AC AF ED AB CFAE AF AC AB AF AB AC-==⋅++． ①又BF 平分B ∠，则AB AF BC CF =，即AB BCAF CF=． 于是，由上式代入①式，得ED BC AE AB AC =+，故AE b cED a+=． 例3 如图5-4，在四边形ABCD 中，对角线AC 平分BAD ∠．在CD 上取一点E ，BE 与AC 相交于F ，延长DF 交BC 于G ．求证：GAC EAC =∠∠． （1999年全国高中联赛题）（G '）GFEDCBA图5-4证明 作CAG CAE '=∠∠，交BC 于G '．只须证G '，F ，D 三点共线，设BAC CAD θ==∠∠，CAG CAE α'==∠∠．以A 为视点，分别对B ，F ，E ；B ，G '，C ；C ，E ，D 应用张角定理，有 ()sin sin sin AF AB AE θααθ+=+， ① sin sin sin()AG AB ACθαθα-=+'， ② sin sin sin()AE AD AC θαθα-=+， ③由①-②+③式，得sin()sin sin AF AD AG θααθ+=+'． 又以A 为视点，对G '，F ，D 应用张角定理，知G '，F ，D 三点共线．由此，知G '与G 重合，故GAC EAC =∠∠．例4 如图5-5，已知AM 是ABC △的边BC 上的中线，任作一直线顺次交AB ，AC ，AM 于P ，Q ，N ．求证：AB AP ，AMAN，AC AQ 成等差数列．（1979年辽宁省竞赛题）θβαCBA MN PQ图5-5证明 令BAM α=∠，MAC β=∠，AMB θ=∠．以A 为视点，分别对P ，N ，Q 及B ，M ，C 应用张角定理，有sin()sin sin AN AP AQαββα+=+， ① sin()sin sin AM AB ACαββα+=+．②又在△ABM 和△AMC 中，由正弦定理，有 sin sin AB MB θα=，sin sin AC MC θβ=． 注意到MB MC =，上述两式相除得sin sin AC ABαβ=． 于是②式变为sin()2sin 2sin AM AB ACαββα+==． 由①式除以上式，得12AM AB AC AN AP AQ ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭． 故AB AP ，AMAN，AC AQ 成等差数列．2．找准视点，寻找到与题设条件或结论有关的线段所在的三角形，是灵活应用张角定理的前提．例5 如图5-6，圆的割线PAB 通过圆心O ，自P 作圆的任一割线PCD 交圆于C ，D ．又在圆上取一点E ，使BE BD =，连CE 交AB 于F ．求证：211AB BP BF=+．BP图5-6证明 连AC ，BC ，令1ECB =∠∠，2BCD =∠∠，3ACE =∠∠，4ACP =∠∠，AC a =，BC b =． 由BE BD =，有12=∠∠．连BD ，由AE AD =，有34ABD ==∠∠∠．以C 为视点，考察线段AB ，BP ，BF 所在的三角形ABC △和△PBC ，分别应用张角定理，有 sin90sin 1sin 3CF a b︒=+∠∠， sin(904)sin 4sin90a b CP ︒+︒=+∠∠． 即 sin 1sin 3cos 3sin 3ab abCF b a b a ==++∠∠∠∠， cos 4sin 4cos 3sin 3ab abCP b a b a ==--∠∠∠∠． 由此，知cos 3sin 30b a ->∠∠． 在△CPB 中，由余弦定理，得122222cos(903)cos 3sin 3cos 3sin 3ab ab BP b b a b a ⎡⎤⎛⎫=+-⋅⋅︒+⎢⎥ ⎪--⎝⎭⎢⎥⎣⎦∠∠∠∠∠． 因034180<+<︒∠∠，则03490<=<︒∠∠，即cos 30>∠． 于是，()122222cos 3(cos 3sin 3)b a b BP b a 2⎡⎤⋅+⎢⎥==-⎢⎥⎣⎦∠∠∠ 同理，在CFP △中，有BF ．又在Rt ABC △中，AB ， 故211AB BP BF ==+． 注 此例结论表示AB 是BP 与BF 的调和平均，亦表示1PF 调和分割弦AB ． 例6 （第一章例12）任意四边形ABCD 的一组对边BA 与CD 交于M ，过M 作割线交另一组对边所在直线于H 、L ，交对角线所在直线于H '、L '．求证：1111MH ML MH ML +=+''． 证明 如图5-7，MBL α=∠，CML β=∠，BMC αβ=+∠，L'H 'DCBA MH图5-7由张角定理得：sin()sin sin MH MD MAαβαβ+=+， ① sin()sin sin MH MC MA αβαβ+=+'， ② sin()sin sin ML MD MA αβαβ+=+'， ③ sin()sin sin ML MC MBαβαβ+=+．④由①+④-②-③得sin()sin()sin()sin()0MH ML MH ML αβαβαβαβ+++++--=''，故1111MH ML MH HL +=+''． 注 此例也可运用线段的调和分割来证明，可参见第十一章例9．对于第十一章的例10，也可运用张角定理来证．请看下例：例7 圆内接四边形ABCD 一组对边DA 、CB 延长线交P 点，过P 点任作直线PF 分别交圆于E 、F ，交AB 、CD 所在直线于N 、M ，求证：1111PE PF PN PM+=+． 证明 设APM α=∠，BPM β=∠，并分别取AD 、EF 、BC 中点R 、G 、H ，如图5-8，显然P 、R 、G 、H 和圆心O 五点共圆，由托勒密定理可知：PG RH RG PH PR GH ⋅=⋅+⋅．对△RGH 三边用正弦定理代入得：()sin sin sin PG PH PR αβαβ⋅+=⋅+⋅，两边乘2，即()sin()PE PF αβ++= ()()sin sin PB PC PA PD αβ+++．又PE PF PB PC PA PD ⋅=⋅=⋅，则11sin()PE PF αβ⎛⎫++= ⎪⎝⎭1111sin sin PB PC PA PD αβ⎛⎫⎛⎫+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭．由张角定理：sin()sin sin PN PB PA αβαβ+=+，sin()sin sin PM PC PD αβαβ+=+，因此1111PE PF PN PM+=+． PFD图5-8当PF 与AB 、DC 的延长线相交同时与圆相交（或相切），如图5-9，例7仍然成立，证法相同．OPR MN K H GFE DCBA 图5-9当PF 与CA ，BD 相交或与它们的延长线相交，同时也与圆相交（或相切），例题7也成立，证法也相同．如图5-10，相切时11PE PF=．P图5-10例8 圆内接ABC △，切线C 点交BA 的延长线于P ，过P 任作直线交圆于E 、F ，交AC 、BC 分别于N 、M ，求证：1111PE PF PN PM+=+． 证明 设APM α=∠，MPC β=∠，并分别取AB 、EF 中点G 、H ，如图5-11，显然P 、G 、H 、C 和圆心O 五点共圆，由托勒密定理可知PH GC GH PC PG HC ⋅=⋅+⋅，对△GHC 三边用正弦定理代入得()sin sin sin PH PC PG αβαβ⋅+=⋅+⋅，两边乘2，即()sin()2sin PE PF PC αβα++=⋅⋅+()sin PA PB β+．因为2PE PF PC PA PB ⋅==⋅，从而11211sin()sin PE PF PC PA PB αβα⎛⎫⎛⎫++=++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭sin β．图5-11由张角定理，sin()sin sin PN PC PA αβαβ+=+，sin()sin sin PM PC PBαβαβ+=+． 因此1111PE PF PN PM+=+． 【解题思维策略分析】1．给出著名问题的一种新证法 例9（斯坦纳定理） 在ABC △中，BD ，CE 分别是ABC ∠，ACB ∠的平分线．若BD CE =，则AB AC =． 证明 如图5-12，令ABD DBC α==∠∠，BCE ACE β==∠∠，分别以B ，C 为视点，对ABC △应用张角定理的推论，有2cos 11BD AB BC α=+，2cos 11CE AC BCβ=+． βαβαED CBA图5-12亦有2cos 2cos AB BC AC BC BD CE AB BC AC BC αβ⋅⋅⋅⋅===++， 亦即()()cos cos AB AC BC AC AB BC βα+=+． 对上式应用分比定理，把cos cos βα-化为积，并变形可得 ()2sinsincos 22AC AB BC AB AC BC βαβαα++--=-⋅⋅⋅． ①显然，α，β，αβ±均只能为锐角． 若AB AC >，则①式左端为正，而右端为负，若AB AC <，则①式左端为负，而右端为正． 所以AB AC =．例10（蝴蝶定理） 已知M 是O 的弦AB 的中点，过M 任作两弦CD ，EF ，连CF ，DE 分别交AB 于G ，H ，则MH MG =． 证明 如图5-13，令AMF BME α==∠∠，BMD AMC β==∠∠．以M 为视点，对△M DE 和△MCF 分别应用张角定理，有G H 'C图5-13sin()sin sin MH ME MD αββα+=+， sin()sin sin MG MF MCαββα+=+． 上述两式相减，得()()11sin sin sin()MF ME MD MC MH MG ME MF MC MD βααβ⎛⎫+-=--- ⎪⋅⋅⎝⎭． 设P ，Q 分别是CD ，EF 的中点，由OM AB ⊥，有 22cos(90)2sin ,22cos(90)2sin .MD MC MP OM OM MF ME MQ OM OM ββαα-==⋅︒-=⋅⎧⎨-==⋅︒-=⋅⎩ 于是，()11sin 0MH MG αβ⎛⎫+-= ⎪⎝⎭．而180αβ+≠︒，知sin()0αβ+≠．故MH MG =．注 类似地应用张角定理，可证明如图5-8中的AG BH ''=． 2．获得线段倍分关系的一种途径例11 已知G 是ABC △的重心，过G 作直线分别交ABC △的两边AB ，AC 于E ，F ．求证：2EG GF ≤．证明 如图5-14，作中线BGM ，CGN ，令MGF BGE α==∠∠，CGF NGE β==∠∠．βαGFECBAM N 图5-14以G 为视点，分别对△GCM ，△BGN 应用张角定理，有sin()sin sin GF MG GC αββα+=+，sin()EGαβ+=sin sin BG NGβα+． 注意到，2BG GM =，2GC NG =，则 sin()sin sin 2GF GM GNαββα+=+， ① sin()sin sin 2EG GM GN αββα+=+． ②①12⋅-②，得 ()113sin sin 024GF EG GN ααβ⎛⎫-⋅+=-⋅⎪⎝⎭≤． 而 ()()sin 0090αβαβ+><+<︒，故1102EG GF-≥，即2EG GF ≤．例12 如图5-15，平行四边形ABCD 中，在AB 边上取一点P ，使3AB AP =，在边AD 上取点Q ，使4AD AQ =，且PQ 交AC 于M ．求证：7AC AM =． βαDCBAM OPQ 图5-15证明 连BD 交AC 于O ，则12AO AC =．令DAM α=∠，BAM β=∠，3AB a =，4AD b =．以A 为视点，分别对△APQ 和△ABD 应用张角定理，有 sin()sin sin sin sin b a AM a b abαβαβαβ+⋅+⋅=+=，sin()sin sin 4sin 3sin 3412b a AO a b ab αβαβαβ+⋅+⋅=+=． 因ADO ABO S S =△△，则4sin 3sin b a αβ⋅=⋅． 于是，4sin 3sin 6sin 212sin 12sin 9sin 12sin 7AM b a a AO b a a a αββαβββ⋅+⋅⋅===⋅+⋅⋅+⋅． 故7AC AM =．例13 如图5-16，筝形ABCD 中，AB AD =，BC DC =．经过AC 与BD 的交点O 任作两条直线，分别交AD 于E ，交BC 于F ，交AB 于G ，交CD 于H ，GF ，EH 分别交BD 于I ，J ．求证：OI OJ =． （CMO -5试题）δγβαOIJ HGFE D CBA图5-16证明 令AOE α=∠，EOD β=∠，DOH γ=∠，COH δ=∠．由题设，知AC 垂直平分BD 于O ，以O 为视点，考虑分别在OJ ，OI 所在的三角形△FOH 及△GOF 中应用张角定理．但在△EOH 中，涉及OE ，OH ，于是，又在△AOD ，△COD 及△EOH 中分别应用张角定理，有sin90sin sin OE OD OA αβ︒=+，sin90sin sin OH OC OD γδ︒=+，sin()sin sin OJ OH OEβγβγ+=+． 由上述三式，有sin()sin sin sin sin sin sin sin sin OJ OC OD OD OA βγβγβδγαγβ+⋅⋅⋅⋅=+++． 同理，在△AOB ，△COB 及△GOE 中分别应用张角定理，有 sin()sin sin sin sin sin sin sin sin OI OC OB OB OA γβγβγαβδβγ+⋅⋅⋅⋅=+++． 注意到OD OB =，则有11OJ OI=，故OI OJ =． 例14 如图5-17，已知G 是ABC △的重心，过点G 任作一条直线l ，分别交边AB 、AC 于点D 、E ，若AD xAB =，AE y AC =，求证：11x y+为定值．l βαGFEDCBA图5-17证明 当点D 与点B 重合，即1x =时，E 为AC 之中点，即12y =，此时113x y +=，因此只需证明113x y+=即可． 如图，延长AG 交BC 于F ，则F 为BC 的中点，设BAF α=∠，FAC β=∠，由D ，G ，E 三点共线，可得sin()sin sin AG AE AD αβαβ+=+，因为23AG AF =，AD xAB =．AE yAC =，所以()3sin 2AF αβ+= sin sin yAC xAB αβ+，即sin()2sin 2sin 33AF yAC xAB αβαβ+=+①，由B ，F ，C 三点共线可得()sin sin sin AF AC ABαβαβ+=+②，①式减②式可得sin 2sin 211033AC y AB x αβ⎛⎫⎛⎫-+-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，因为F 为BC 的中点，所以ABF AFC S S =△△，即11sin sin 22AF AB AF AC αβ⋅=⋅，即sin sin 0AC AB αβ=≠，所以2211033y x ⎛⎫⎛⎫-+-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，即113x y +=．3．证明线段比例关系式的一种方法例15 如图5-18，已知AD ，AE 分别是ABC △的内外角平分线，点D 在BC 边上，点E 在BC 边的延长线上．求证：112BE CE DE+=． ααbaED CBA图5-18证明 设AD a =，AE b =，BAD DAC α==∠∠．以A 为视点，分别对△ADE 和△ABE 应用张角定理，得sin90sin sin(90)AC b a αα︒︒-=+，sin(90)sin90sin a AB b αα︒+︒=+． 于是 cos sin ab AC b a αα=+，cos sin abAB b a αα=-．在△ABE 中，由余弦定理，并注意cos 0α>，cos sin 0b a αα->（0AB >）， 有BE ===．同理，在△ACE 中，求得CE =．而在Rt △ADE 中，DE = 故112BE CE DE +==． 注 112BE CE DE +=表示DE 是CE 与BE 的调和平均，亦表示DE 被B 、C 或BC 被D 、E 调和分割（即DB BEDC CE=）． 用张角定理也可以证明如下调和分割问题：凸四边形ABDF 的两组对边延长相交于点C ，E ，直线AD 交BF 于M ，交CE 于点N ，则112AM AN AD +=或AM MDAN ND=． 事实上，如图5-19，令CAN α=∠，NAE β=∠，以A 为视点，分别对△ABF ，△ABE ，△ACF ，△ACE 应用张角定理，有FEDCBAM N图5-19sin()sin sin AM AF AB αβαβ+=+，sin()sin sin AD AE AB αβαβ+=+， sin()sin sin AD AF AC αβαβ+=+，sin()sin sin AN AE AC αβαβ+=+． 上述第一式与第四式相减后减去其余两式，得112sin()sin()AM AN AD αβαβ⎛⎫++=⋅+ ⎪⎝⎭． 而sin()0αβ+≠，故112AM AN AD+=． 或由2AD AD AM AN AM AN AM AN +==+得AM MDAN ND=．这个调和分割问题可以参见第九章中的性质2．例16 如图5-20设I ，H 分别为锐角ABC △的内心和垂心，点1B ，1C 分别为边AC ，AB 的中点．已知射线1B I 交边AB 于点2B （2B B ≠），射线1C I 交AC 的延长线于点2C ，22B C 与BC 相交于K ，1A 为△BHC 的外心．试证：A ，I ，1A 三点共线的充分必要条件是△2BKB 和△2CKK 的面积相等．（CMO -18试题）1B 2B 1C 1C 2C BAHK 图5-20证明 首先证明：2260BKB CKK S S BAC =⇔=︒△△∠．设ABC △的外接圆半径为R ，连IC ，在△ACI 与ABC △中运用正弦定理，有1sin sin 2AI ACAIC C =∠∠ 14sin 12cos 2AC R B B ==⋅∠∠，即114sin sin 22AI R B C =⋅⋅∠∠． 又 11sin 2AB AC R B ==⋅∠． 在△12AB B 中，注意AI 平分A ∠，以A 为视点，在此三角形中应用张角定理的推论，有12cos 2AAI=∠ 1211AB AB +， 即有 21112cos sin 12211112cos cos cos sin 12222R B CAB A A B CAI AB ⋅⋅==⋅--∠∠∠∠∠∠ 112cos sin 221sin 2R B CA ⋅⋅=∠∠∠．同理，2112cos sin 221sin 2R C BAC A ⋅⋅=∠∠∠． 从而 222222BKB CKC ABC AB C S S S S AB AC AB AC =⇔=⇔⋅=⋅△△△△ 1111sin cos sin cos 2222sin sin 11sin sin 22C B B C C B A A ⋅⋅⇔⋅=⋅∠∠∠∠∠∠∠∠ 24sin 12A⇔=∠，注意到A ∠为三角形内角60BAC ⇔=︒∠． 其次，再证60BAC A =︒⇔∠，I ，1A 三点共线．连1BA ，1CA ，在△1ABA 和△1ACA 中分别应用正弦定理，有 1111sin sin A A A B ABA A AB =∠∠，1111sin sin A A AC ACA A AC=∠∠． 因I 为ABC △的内心，A ，I ，1A 共线111A AB A AC ABA ⇔=⇔∠∠∠与1ACA ∠均为锐角，1111sin sin ABA ACA ABA ACA =⇔≠∠∠∠∠（因AB AC ≠）时，111180,,,ABA ACA A B A C+=︒⇔∠∠四点共圆． 注意到1A 中圆周角与圆心角的关系，有()1360236021802BAC BHC A A =︒-=︒-︒-=∠∠∠∠，且118060BAC A BAC +=︒⇔=︒∠∠∠． 例17 如图5-21，设O ，I 分别是ABC △的外心和内心，AD 是BC 边上的高，I 在线段OD 上，求证：ABC △的外接圆半径R 等于BC 边上的旁切圆的半径a r ．（1998年全国高中联赛题）证明 因BC 边上的旁切圆的半径4sincos cos 222a A B C r R =，故只需证明4sin cos cos 1222A B C⋅=即可． 由图，易得90OAC BAD B ==︒-∠∠，因为2A BAI CAI ==∠∠，所以()902ADAI OAI B ==-︒-∠∠ 902A B α=+-︒=，由于点D ，I ，O 共线，由张角定理可得sin 2sin sin AI AO AD ααα=+，即2cos 1AI AOα=+1AD ，即2sin 112A B AI AO AD ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=+，其中AO R =，sin 2sin sin AD AB B R C B ==． 设ABC △的内切圆半径为，则csc2A AI r =，因为4sin sin sin 222A B C r R =，则4sin sin 22B CAI R =⋅，所以有2sin 1122sin sin 4sin sin 22A B B C R R B C R ⎛⎫+ ⎪⎝⎭=+，即4sin cos cos 2sin sin 1222A B C B B C ⎛⎫+=+ ⎪⎝⎭，即2sin 2A B ⎛⎫+ ⎪⎝⎭cos cos 2sin sin 122B C B C B C +-⎛⎫+=+ ⎪⎝⎭，即sin sin 2sin cos 2sin sin 2222A A A B C B B B C -⎛⎫⎛⎫+⋅++= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭1+，即()3cos cos sin sin 2sin sin 12222B A C A B C B B A B C ++⎛⎫-+++-+=+ ⎪⎝⎭，cos cos cos()B C B C ++-= cos()cos()B C B C --+，即cos cos cos 0B C A +-=，即22coscos 2sin 10222B C B C A+-+-=，即2sincos 2sin cos 12222A B C A B C -+⋅+=，即4sin cos cos 1222A B C=． 14．证明三点共线的又一个工具例18 如图5-22，已知AB 是圆的直径，PA ，PC 是圆的切线，A ，C 为切点．作CD AB ⊥于D ，Q 为CD 的中点．求证：P ，Q ，B 三点共线．BAP图5-22证明 以C 为视点，考察线段PQ ，QB 所张的角的情形． 连AC ，BC ，则90ACB =︒∠，令PCA α=∠，则CBA ACD α==∠∠，令PC a =，易知2cos AC a α=⋅，cot 2cos cot BC AC a ααα=⋅=⋅⋅，2sin 2cos CD BC a αα=⋅=⋅，2cos CQ αα=⋅．所以2sin sin(90)cos 1cos cos PCB CQ CQ a a αααα︒+===⋅⋅∠， 2sin sin sin 2cos sin cos 2cos cot cos PCQ QCB CB CP a a a a ααααααα+=+=+⋅⋅∠∠22sin cos 1cos cos a a αααα+==⋅⋅．故sin sin sin PCB PCQ QCBCQ CB CP=+∠∠∠． 由张角定理，知P ，Q ，B 三点共线．例19 如图5-23，在线段AB 上取内分点M ，使AM BM ≤，分别以MA ，MB 为边，在AB 的同侧作正方形AMCD 和MBEF ，P 和Q 分别是这两个正方形的外接圆，两圆交于M ，N ．求证：B ，C ，N 三点共线．（IMO -1试题）图5-23证明 连MD ，ME ，NE ，ND ，NM ，则90DNM ENM ==︒∠∠，则D ，N ，E 三点共线，注意454590DME =︒+︒=︒∠．设DMN NEM α==∠∠，P ，Q 的半径分别为1r ，2r ，则MC =，2MB =，12cos MN r α=⋅= 22sin r α⋅．对视点M，考察点B ，C ，N所在的三角形△MBN ．由 22sin sin sin 902sin CMB CMN MN MB r α︒+=+=∠∠()2111sin cos sin cos sin cos 2cos 2cos r r αααααααα+⋅-+⋅==⋅11cos sin cos(45)22r r ααα+︒-===sin 9045sin NMBMCα︒+︒-==∠．应用张角定理，即知B ，C ，N 三点共线．例20 如图5-24，在ABC △中，令A α=∠，B β=∠，C γ=∠，且αβ>，AD ，BE ，CF 是它的三条垂线；AP ，BQ 是两条角平分线；I ，O 分别是它的内心和外心．证明：点D ，I ，E 共线当且仅当P ，O ，Q 共线，当且仅当O ，I ，F 共线．（IMO -38预选题或由1998年全国高中联赛题改编）IOFE DCBAP Q图5-24证明 由于外心O 有在ABC △内、外、边上三种情形，故须对α分三种情况讨论． （Ⅰ）当α为锐角时．设ABC △的外接圆半径为R ，内切圆半径为，令BC a =，CA b =，AB c =，连CO ，CI ，则abCP b c=+，ab CQ a c =+，π2OCQ β=-∠，π2OCP α=-∠，cos CD b γ=⋅，cos CE a γ=⋅，sin 2r CI γ=，OCI ICF =∠∠ π22γβ=--（或π22γα+-），π2OCF βγ=--∠（或2πγα+-）． 以C 为视点，分别考察△PCQ ，△DCE ，△OCF ，并应用张角定理．P ，O ，Q 共线sin sin sin OCP OCQOC CQ CP γ⇔=+∠∠ []sin ()cos ()cos ab R a c b c γαβ⇔⋅=+⋅++⋅[]224sin sin sin sin 2sin 22sin (cos cos )R R αβγαβγαβ⇔⋅⋅⋅=+++22(sin 2sin 2sin 2)[sin 2sin 22sin (cos cos )]R R αβγαβγαβ⇔++=+++sin 22sin (cos cos )cos cos cos γγαβγαβ⇔=+⇔=+．D ，I ，E 共线()sinsinsin 22sin cos ab r a b CI CD CEγγγγγ⇔=+⇔⋅=+ ()cos ()()(1cos )cos r a b c r a b a b c γγγ⇔++⋅=+⇔+-=⋅(sin sin )(1cos )sin cos αβγγγ⇔+-=⋅22cos cos2sin sin cos 222γαβγγγ-⇔⋅⋅=⋅2sincoscos cos cos cos 22γαβγγαβ-⇔⋅=⇔=+． O ，I ，F 共线sin sin sin OCF OCI ICFCI CF CO⇔=+∠∠∠ ()cos cos sin 2222sin sin 22sin sin CI CI a R R γγβββγγββαβ⎛⎫⎛⎫++ ⎪ ⎪+⎛⎫⎝⎭⎝⎭⇔=+⇔+=+ ⎪⋅⋅⎝⎭2sinsin sin sin22rr R R γγαβ+⋅⋅⋅⋅（注意π22γβ+≠，4sin sin sin 222r R αβγ=⋅⋅） 12sin 4sin sin 2222cos cos 22γαββαβ⎛⎫⇔+=+⋅ ⎪⎝⎭⋅4sin cos cos 12sin sin 222γαββαβ⎛⎫⇔+⋅⋅=+⋅ ⎪⎝⎭sin sin sin sin 22222222222αβγβγααβγαβββ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⇔+++++-++++-+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭1cos()cos()αβαβ=+--+cos cos 1cos()1cos()cos cos cos cos βααβαβγγαβ⇔+++-=+-+⇔=+． 因此，D ，I ，E 共线⇔P ，O ，Q 共线⇔O ，I ，F 共线．（Ⅱ）当α为钝角时，注意π2OCP α=-∠，依照（Ⅰ）类似证明． （Ⅲ）当α为直角时，易证点D ，I ，E 共线当且仅当ABC △是等腰直角三角形；点P ，O ，Q 共线当且仅当ABC △是等腰直角三角形；点O ，I ，F 共线当且仅当ABC △是等腰直角三角形．综合即证． 注 在ABC △中，可证得：cos cos cos C A B =+∠∠∠，当且仅当ABC △的外接圆半径等于AB 边上的旁切圆半径．因此本例题还等价于ABC △的外接圆半径等于AB 边上的旁切圆半径，此为例17即1998年全国高中联赛平面几何题结论．5．注意张角定理与斯特瓦尔特定理的等价性例21 如图5-25，设B ，P ，C 依次分别为从A 点引出的三条射线AB ，AP ，AC 上的点．线段BP ，PC 对点A 的张角分别为α，β，且180αβ+<︒，则B ，P ，C 三点共线的下述两个充要条件等价：βαCBA EF P 图5-25（Ⅰ）sin()sin sin AP AC ABαβαβ+=+（张角定理）； （Ⅱ）222AB PC AC BP AP BC BP PC BC ⋅+⋅=⋅+⋅⋅（斯特瓦尔特定理）． 证明sin()sin sin sin()sin sin AB AC AP AB AP AC AP AC ABαβαβαβαβ+=+⇔⋅⋅+=⋅⋅+⋅⋅ sin cos cos sin sin sin AB AC AB AC AP AB AP AC αβαβαβ⇔⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅．作BE ⊥射线AP 于E ，作CF ⊥射线AP 于F ，则 sin sin AB BE BP k BPAC CF PC k PCαβ⋅⋅===⋅⋅ cos cos AC k BP AB k PC AP k BP AP k PC AP k BC βα⇔⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅222222222AC AP PC AB AP BP AP AC BP AP AB PC AP BC AC AP AB AP +-+-⇔⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=⋅⋅⋅222AB PC AC BP AP BC BP PC BC ⇔⋅+⋅=⋅+⋅⋅．【模拟实战】习题A1．在矩形ABCD 中，AB a =，BC b =，M 为BC 中点，DE ⊥射线AM 于E ，求DE 之长．（用a ，b 表示）2．ABC △中，AB AC =，AD 为BC 边上的高，AD 的中点为M ，CM 的延长线交AB 于K ．求证：3AB AK =．3．已知AC AB ⊥，BD AB ⊥，AD 和BC 相交于点E ，EF AB ⊥于F ．又AC p =，BD q =，EF r =，AF m =，FB n =．求证：111p q r+=． 4．梯形ABCD （AB DC ∥）的对角线AC ，BD 相交于P ，过P 作梯形下底的平行线交两腰AD 于M ，BC 于N ．求证：PM PN =．5．设XOY ∠的平分线上任一点为P ，过P 作两条任意直线AB ，CD ，分别交OX ，OY 于A ，C ，B ，D ．求证：OC OA BD OB OD AC ⋅⋅=⋅⋅．6．直线l 的同侧有三个相邻的等边三角形△ADE ，△AFG ，ABC △，且G ，A ，B 都在直线l 上．设这三个三角形的边长依次为b ，c ，a ，连GD 交AE 于N ，连BN 交AC 于L ．求证：abcAl ab bc ac =++．7．在O 中，过弦GH 的中点M 作弦AB ，CD ，令AMG α=∠，CMG β=∠．求证：sin sin MB MAMC MDαβ-=-． 8．在平行四边形ABCD 的CD 边上取一点P ，使12CP PD =∶∶，在对角线上取一点Q ，使13CQ QA =∶∶．求证：B ，Q ，P 三点共线． 习题B1．已知四边形ABCD 两组对边的延长线分别交于K ，L ．过K ，L 作直线，对角线AC ，BD 之延长线分别交KL 于G ，F ．求证：1KF ，1KL ，1KG 成等差数列．2．在锐角三角形ABC 中，AC AB >．求证：B ∠的平分线BD 小于C ∠的平分线CE ．3．在O 内，直径AOB ⊥半径OC ，O '与OB ，OC 相切于D ，E ，并与O 内切于F ．求证：A ，E ，F 三点共线．4．在Rt ABC △中，90ACB =︒∠，CD AB ⊥于D ，△ADC 和△CDB 的内心分别为1O ，2O ，12O O 与CD 交于K ．求证：111BC AC CK+=． 5．设P 为ABC △内任一点，顶点A ，B ，C 与P 的连线分别与BC ，CA ，AB 交于点D ，E ，F ．P '为△DEF 周界上任一点，过P '作PD ，PE ，PF 的平行线分别与BC ，CA ，AB 交于D '，E '，F '．证明：在比值P D PD ''，P E PE ''，P F PF ''中必有一个等于另两个的和．。