两圆相切之三暨猫爪定理之十 ——2020年希望联盟3-3

教育   2024-12-09 23:28   陕西  

2020年希望联盟第三次考试的第三个题目为:

6

1、已知:锐角△ABC中,以BC为直径的圆M交线段AB、AC于Q、P,

T为圆M上一点,过T作圆M的切线交AB、AC于E、F。

求证:以EF为直径的圆与△APQ的外接圆相切。

思路分析:

本题初看还是很"恐怖"的,两圆相切一般不易证明。

不过如果熟悉前面说到的证明两圆相切基本套路,先试试看再说吧,

两圆相切问题公切点一定很重要,设为J,

对于点J已经有两个圆过它了,根据经验,很有可能还有其他的圆也过J,因此J往往和密克点有关。

即J可能和图中的某些点共圆,

通过一段时间的尝试和探索,可以发现ETJQ共圆,对称的有FPJT共圆。

即J为QPT对△ABC的密克点。则AQJP共圆,这基本就差不多了。


下面只要说明此密克点J在以EF为直径的圆上,

这应该可以通过倒角完成,

∠EJF=∠EJT+∠FJT

=∠EQT+∠FPT=∠EQT+∠CQT=90°。

最后再过J做小圆的切线,

证明其为另一个大圆的切线即可,

这应该也不难通过倒角完成。

具体证明过程如下:


证明:

设EF与以BC为直径的圆的切点为T,圆APQ和圆EQT交于Q,J,

则∠JPF=∠AQJ=∠JTE,

∴PJTF共圆。

∴∠EJF=∠EJT+∠FJT

=∠EQT+∠FPT=∠EQT+∠CQT=90°,

故J在以EF为直径的圆上。

设过J的圆APQ的切线为OJ,

则∠OJF=∠QJE-∠QJO

=∠QTE-∠QPJ=∠QPT-∠QPJ=∠JPT=∠JFT,

∴OJ为以EF为直径的圆的切线。

故以EF为直径的圆和三角形APQ的外接圆相切。

注:本题虽然看起来来者不善,但是只要沉着应战,按照相切的常见套路,设出切点J,寻找含有J的共圆。一旦发现J为密克点,本题基本就能迎刃而解了。


无独有偶,2020韩国数学冬令营第一天的第5题也是一个类似的证明两圆相切的问题。题目为:

2、已知:四边形ABCD中,∠A=2∠C<90°.

过△ABD的内心I作AI的垂线与射线CB,CD

分别交于E,F。设O为△CEF的外心。过E作OE的垂线交OF于点Q,过F作OF的垂线交OE于点P。

求证:以PQ为直径的圆与△BCD的外接圆相切。

(2020韩国数学冬令营1-5)

思路分析:

此题图形比较复杂,大有乱花渐欲迷人眼之势。

似乎不好对付,但我们还是按部就班、按图索骥。

首先根据题意画出准确图形,并尽可能的把已知条件垂直等标上。

然后挖掘图形的基本性质,

∠EOFD=2∠C=∠BAD,

∠BIE=∠BIA-90°=0.5∠BDA=∠BDI等等。

关键还是要从结果入手,

要证两圆相切,切点至关重要,故设切点为X。

下面希望找到过X的其他圆,最好X为密克点。

一番探索发现X为BID对△CEF的密克点。

下面设出X的一个圆的切线,再证明其为另一个圆的切线,

这些都可以通过倒角完成。


具体证明如下:

证明:

设BID对△ECF密克点为X,

则BEXI,DFIX,DXBC共圆。

则∠BIE=∠BIA-90°=0.5∠BDA,

对称的∠DIF=0.5∠DBA,

∠EXF=360°-∠BXD-∠BXE-∠FXD

=180°+∠C-0.5∠BDA-0.5∠DBA

=180°+∠C-0.5(180°-2∠C)

=90°+∠O=180°-∠EPF,

∴XEPF共圆。

设过X的圆BCD切线为XK,

则∠EXK=∠EXB-∠BXK=∠BIE-∠BDX

=∠BDI-∠BDX=∠XDI=∠XFI,

∴XK为圆J切线。

从而以PQ为直径的圆与△BCD的外接圆相切。

注:

不难发现,本题虽然看起来一团乱麻,但是其实和上一题异曲同工,具体证明也是经典的套路。


其实这种套路并不罕见,下面再看一个著名的定理——曼海姆manheim定理,此定理在本公众号前面的文章中(金磊讲几何构型:鸡爪定理专题讲义02金磊讲几何构型:切割线定理及其应用之三)反复提到过。

也提供了用圆幂及切割线定理的方法证明。

这里给出其逆命题的一个等价叙述,其实在《再说鸡爪定理》说到了,只是没有详细叙述,也没有给出证明,下面利用两圆相切的套路再给出一种证明方法。


3、点A在定圆O外,AJ,AK

为圆O切线,J,K为切点。过圆O上动点D的切线交AJ,AK于B,C。

求证:△ABC外接圆与某个定圆相切。

思路分析:

先猜出相切的圆的圆心和半径,

由对称性知圆心在AO上,

估计此圆还和点O有关,

猜测此圆还和AJ、AK相切,

且切点连线过O。

下面考虑如何证明两圆相切,

切点至关重要,设为G。


估计G还是密克点,

经过尝试发现G为OBC对△AHI

的密克点,不难倒角证明,

最后老一套,过G做一个圆的切线,

证明其是另一个圆的切线即可。

具体证明过程如下:


证明:

过O做HI⊥AO,过H做AB

垂线,交AO于E,不难得到本定理等价于证明ABC外接圆与圆E相切。

设圆BHO交CIO于点G,则∠HBG=∠IOG

=180°-ACG,故ABGC共圆。

又∠HGO=∠HBO=0.5∠B,

同理∠HGI=0.5∠C

故∠HGI=0.5(∠B+∠C)

=90°-0.5∠A=0.5∠HEI

故G在圆E上;

设MG为圆E的切线,

则∠CGM=∠IGM-∠IGC

=∠IHG-∠IGC=

∠OBG-∠IOC=∠OBG-∠OBC=∠CBG=∠CAG

故GM也为ABC外接圆的切线,

即△ABC外接圆与定圆E相切。


本文讲了三个证明两圆相切的题目,难度算是中等偏上一点。但是只要掌握了此类问题的经典讨论,发现切点为密克点,从而得到多圆都经过切点,后面再利用判定方法(3):过切点做一个圆的切线证明是另一个圆的切线,几乎此类问题都可以按图索骥完成证明。需要说明的是没有什么方法是万能的,不是每个两圆相切的问题中切点必然为密克点,切忌邯郸学步、生搬硬套。


金磊讲几何构型:两圆相切的性质与判定之一


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