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切割线定理推导过程是什么(切割线定理及其应用之一)

100次浏览     发布时间:2025-01-11 09:01:07    

众所周知,切割线定理为:如图所示,若AB为圆的切线,ACD为圆的割线,则有

AB^2=AC*AD,利用弦切角等于圆周角得∠ABC=∠ADB即得△ABC∽△ADB,则

AB/AD=AC/AB,即可证明。反之亦然,即若AB^2=AC*AD则AB为BCD外接圆圆的切线。显然,其中的圆可以略去,只要有∠ABC=∠ADB即可。

而且反之亦然,即如图,若ACD共线,则

AB^2=AC*AD <=> ∠ABC=∠ADB ①

这个图形非常基础,也很常见,当然它是圆幂定理的一种。但是本专题重点展示此定理的应用,不把它往圆幂定理上推广。有人称之为广射影定理(因为当AB⊥BD时即为射影定理,故其为射影定理的推广)。叶中豪老师常称之为“母子型相似”图形,但是我觉得还是应该称之为切割线定理更合适一些。当然其本质是两个共边的逆相似三角形的性质。

本图形和结论虽然简单,但是运用之妙,存乎一心,合理的运用①往往巧妙的解决很多难题,下面我们通过例子展示其应用。

例1、如图, 设凸四边形ABCD的对角线AC、BD的交点为M,过点M作AD的平行线分别交AB、CD于点E、F,交BC的延长线于点O,P是以O为圆心OM为半径的圆上一点(位置如图所示),求证:∠OPF=∠OEP.(1996年初中数学联赛)

思路分析:

∠OPF=∠OEP <=> △OPF∽△OEP<=> OM^2=OE*OF(消去圆和点P)得到下图。

OM^2=OE*OF <=> OF/OM=OM/OE,需要一个中间量传递一下比例,从而想到延长AD、BC交于点I,由平行即得OF/OM=ID/IA=OM/OE,得证。

证明:如下图,延长AD、BC交于点I。由EF//AD可得

由①即得∠OPF=∠OEP.

注:本题很经典,本质调和。但是我的印象很深刻。因为这是我当年第一次参加全国初中数学联赛的试题。虽然当时我在一个小县城的汉中市城固县城关中学,但是我们数学老师一直鼓励我们参加数学竞赛。他虽然教学很出色,但是对竞赛的了解也很有限。当时我是通过邮局邮购了几本数学竞赛辅导书,扎实认真的把书上问题琢磨透彻来自学数学竞赛的。幸运的是,当时我考得还不错,这个题目我也轻松解决。当时获得了陕西省第三名,被西安交大附中录取到了西安上高中,其实当时中专比较吃香,学习好的学生几乎都上了中专。只有我义无反顾的选择到西安上高中,我的人生彻底发生了变化。

例2、已知如图,PQ为两圆外公切线,两圆交于AB,BP交AQ于D,BQ交AP于C,

求证:AC*CB=AD*DB(2017年高中数学联赛陕西省预赛)

思路分析:两圆相交,公共弦是一个重要 的枢纽,沟通了两圆的关系。由切线及切割线定理容易得到AB平分PQ。从而想到在消点法中多次用到的Steiner定理[1][2],得到CD//PQ。

且AB平分CD。又易得ACBD共圆,由△ABC、△ABD面积相等即得结果。

证明:如下图,设AB交PQ、CD于G、H,由①得GP^2=GB*GA=GQ^2,则

GP=GQ ,

由塞瓦定理得

则AC/CP=AS/SQ,故CD//PQ,且HC=HD,

又由切线得 ∠GAP=∠GPB=∠CDB,

故ACBD共圆;

又由

即AC*CB*sin∠ACB =AD*DB*sin∠ADB ,

即得AC*CB =AD*DB。

注:本题结构和性质都很常见,思路都比较自然。虽然证明结果看起来有点“恐怖”。但是只要认真分析,证明并不困难。当然熟悉调和四边形的读者容易发现ACBD为调和四边形。本题证明方法也比较多,有兴趣的读者可以自行探讨。

思路分析:若从结果分析,证明垂直方法很多,可以倒角或者勾股定理等,但是都不好说。所以先探索图形的基本性质。

点R最高级,由IB=IQ及ABQP共圆得

∠IPB=∠IQB=∠IBQ,故△IBP∽△IRB,从而转化为切割线定理基本构型,

由①得IB^2=IP*IR且∠IRB=∠IBP,右边类似得到∠IRC=∠ICP,

这样就消去点R、Q及两个小圆,得到下图,

需证∠IBP+∠ICP=90°,

这应该就显然了,只需计算一下角度即可。

证明:依题意可得,∠IPB=∠IQB=∠IBQ,

故△IBP∽△IRB,

由①得

则△ICP∽△IRC,

则∠BRC=∠IRB+∠IRC=∠IBP+∠ICP=360°-∠BPC-∠BIC

=360°-0.5(360°-∠BAC)- (90°+0.5∠BAC)= 90°,

注:1)解决本题的关键在于发现其中的切割线定理结构,消去点R,将证明结果转化到大圆上。这也完美的体现的数学竞赛的精髓——不是考察你的知识,而是考察你的能力。光知道一些结论是没用的,关键要在合适的时候巧妙的使用那些简单的知识来解决复杂的问题!

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