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3.7.2 奔驰定理

清华大学出版社教研团队清华大学出版社《新高考数学你真的掌握了吗(第二版)》高中 · 教辅双语助读 (Alt+Y)

在重心那里,我们有这么一个结论: G 是 triangle ABC 的重心等价于 overrightarrowGA + overrightarrowGB + overrightarrowGC = 0.但是当点 G 动起来,变成任意点时,这个结论要做相应的修改.为此,我们先看下面的例题.

例 3.87

已知 O 为 triangle ABC 内的一点,如图 3-80 所示,triangle BOC, triangle AOC, triangle AOB 的面积分别为 S_(triangle BOC), S_(triangle AOC), S_(triangle AOB).证明: S_(triangle BOC)overrightarrowOA + S_(triangle AOC)overrightarrowOB + S_(triangle AOB)overrightarrowOC = 0 .

查看解析与步骤

作 overrightarrowOD = S_(triangle BOC)overrightarrowOA,overrightarrowOE = S_(triangle AOC)overrightarrowOB,overrightarrowOF = S_(triangle AOB)overrightarrowOC ,得到 triangle DEF ,如图 3-81所示,则

S _ triangle E O F = frac 12 | overrightarrow O E | | overrightarrow O F | sin angle E O F = frac 12 S _ triangle A O C | overrightarrow O B | S _ triangle A O B | overrightarrow O C | sin angle E O F = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C,S _ triangle F O D = frac 12 | overrightarrow O F | | overrightarrow O D | sin angle F O D = frac 12 S _ triangle A O B | overrightarrow O C | S _ triangle B O C | overrightarrow O A | sin angle F O D = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C,S _ triangle D O E = frac 12 | overrightarrow O E | | overrightarrow O D | sin angle E O D = frac 12 S _ triangle A O C | overrightarrow O B | S _ triangle B O C | overrightarrow O A | sin angle E O D = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C.

所以 S_(triangle EOF) = S_(triangle FOD) = S_(triangle DOE).由重心的基本性质可知 O 为 triangle DEF 的重心,故 overrightarrowOD + overrightarrowOE + overrightarrowOF = 0,因此 S_(triangle BOC) overrightarrowOA + S_(triangle AOC) overrightarrowOB + S_(triangle AOB) overrightarrowOC = 0 .

图3-80

图3-81

观察图 3-80, 因为它非常像奔驰汽车的标志,所以我们将例3.87中的结论称为奔驰定理.

奔驰定理1

设 O 为 triangle ABC 内的一点,则 S_(triangle BOC) overrightarrowOA + S_(triangle AOC) overrightarrowOB + S_(triangle AOB) overrightarrowOC' = 0 .

首先,点 O 在 triangle ABC 内很重要,否则结论需要作修改,具体见后面的奔驰定理 2. 其次,这个结论非常对称,建议记住.如果记 S_A = S_(triangle BOC), S_B = S_(triangle AOC), S_C = S_(triangle AOB),则奔驰定理 1 可以改写为 S_A overrightarrowOA + S_B overrightarrowOB + S_C overrightarrowOC = 0,这样或许更方便记忆.

例 3.88

已知点 P 是 triangle ABC 内一点,且 overrightarrowPA + overrightarrowPB + 3overrightarrowPC = 0 ,若 triangle ABC 的面积为 S,则 triangle PAC 的面积为(). A. 3/8S B. 1/3S C. (3)/(10)S D. 1/5S

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由奔驰定理可知 S_(triangle PBC): S_(triangle PAC): S_(triangle PAB) = 1:1:3 ,所以 S_(triangle PAC) = 1/5 S_(triangle ABC) = 1/5 S ,故选D.

我们再来看看当 O 在 triangle ABC 外时的情况.

例 3.89

如图 3-82 所示,O 为 triangle ABC 外一点,且 OA 在 OB 和 OC 之间,求证: -S_(triangle OBC) overrightarrowOA + S_(triangle AOC) overrightarrowOB + S_(triangle AOB) overrightarrowOC = 0 .

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作 overrightarrowOD = -S_(triangle BOC)overrightarrowOA,overrightarrowOE = S_(triangle AOC)overrightarrowOB,overrightarrowOF = S_(triangle AOB)overrightarrowOC ,得到 triangle DEF ,如图 3-83所示,则

S _ triangle E O F = frac 12 | overrightarrow O E | | overrightarrow O F | sin angle E O F = frac 12 S _ triangle A O C | overrightarrow O B | S _ triangle A O B | overrightarrow O C | sin angle E O F = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C,S _ triangle F O D = frac 12 | overrightarrow O F | | overrightarrow O D | sin angle F O D = frac 12 S _ triangle A O B | overrightarrow O C | S _ triangle B O C | overrightarrow O A | sin angle F O D = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C,S _ triangle D O E = frac 12 | overrightarrow O E | | overrightarrow O D | sin angle E O D = frac 12 S _ triangle A O C | overrightarrow O B | S _ triangle B O C | overrightarrow O A | sin angle E O D = S _ triangle A O C S _ triangle A O B S _ triangle B O C.

所以 S_(triangle EOF) = S_(triangle FOD) = S_(triangle DOE).由重心的基本性质可知 O 为 triangle DEF 的重心,故 overrightarrowOD + overrightarrowOE + overrightarrowOF = 0,因此 -S_(triangle BOC) overrightarrowOA + S_(triangle AOC) overrightarrowOB + S_(triangle AOB) overrightarrowOC = 0 .

图3-82

图3-83

观察图 3-83, 我们发现 O, A 分别在 BC 两侧,此时 -S_(triangle OBC) + S_(triangle AOC) + S_(triangle AOB) = S_(triangle ABC),还有一种情况请同学们画图验证,如果 O, A 都在 BC 同侧,且 O 在 triangle ABC 外,那么 -S_(triangle OBC) + S_(triangle AOC) + S_(triangle AOB) = -S_(triangle ABC).由此,我们得到如下更一般形式的奔驰定理.

奔驰定理2

设 O 为 triangle ABC 所在平面上的一点且 α overrightarrowOA + β overrightarrowOB + γ overrightarrowOC = 0,则 S_(triangle BOC): S_(triangle AOC): S_(triangle AOB) = |α|: |β|: |γ|,且 α + β + γ = tS_(triangle ABC)(t ∈ ℝ) 为定值.

若 O 在 triangle ABC 内,则 α, β, γ 都是正实数; 若 O 在 triangle ABC 外,则 α, β, γ 有一个为负且与之相乘的向量夹在其余两个向量之间.比如,如果 OA 在 OB 和 OC 之间,则 α < 0,反之亦然.其他情形可类似得到.

例 3.90

设 P 为 triangle ABC 所在平面上一点,且满足 3overrightarrowPA + 4overrightarrowPC = moverrightarrowAB (m > 0),若 triangle ABP 的面积为 8, 则 triangle ABC 的面积为 ____.

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由 3overrightarrowPA+4overrightarrowPC=moverrightarrowAB 可得 3overrightarrowPA+4overrightarrowPC=moverrightarrowPB-moverrightarrowPA ,即 (m+3)overrightarrowPA-moverrightarrowPB+4overrightarrowPC=0 ,由奔驰定理 2 得 S_(triangle PBC):(-S_(triangle PAC)):S_(triangle PAB)=(m+3):(-m):4, 从而

frac S _ triangle P A BS _ triangle P B C - S _ triangle P A C + S _ triangle P A B = frac 4(m + 3) - m + 4 ⇒ frac 8S _ triangle A B C = frac 47,

解得 S_(triangle ABC) = 14 故填14.

例 3.91

已知 triangle ABC 的三个内角 A, B, C 所对边的长分别为 a, b, c, O 为 triangle ABC 所在平面上一点,求证: 点 O 是 triangle ABC 的内心是 aoverrightarrowOA + boverrightarrowOB + coverrightarrowOC = 0 的充要条件.

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充分性: 如图 3-84 所示,O 为 triangle ABC 的内心,设 triangle ABC 内切圆半径为 r,可知 S_(triangle BOC) = 1/2 ar , S_(triangle AOC) = 1/2 br , S_(triangle AOB) = 1/2 cr,即 S_(triangle BOC): S_(triangle AOC): S_(triangle AOB) = a:b:c.由奔驰定理 1 可得

S _ triangle B O C overrightarrow O A + S _ triangle A O C overrightarrow O B + S _ triangle A O B overrightarrow O C = mathbf 0 ⇒ a overrightarrow O A + b overrightarrow O B + c overrightarrow O C = mathbf 0.

必要性: 如图 3-85所示,设 S_(triangle BOC), S_(triangle AOC), S_(triangle AOB) 的高分别为 h₁, h₂, h₃.由奔驰定理 2 可知 S_(triangle BOC): S_(triangle AOC): S_(triangle AOB) = a:b:c,即 h₁ = h₂ = h₃,即 O 到三边的距离相等,故 O 为 triangle ABC 的内心.

图3-84

图3-85

变式 3.91.1

设点 P 在 triangle ABC 内且为 triangle ABC 的外心,A = 30^(circ),若 triangle PBC, triangle PCA, triangle PAB 的面积分别为 1/2, x, y,则 x + y 的最大值是 ____.

共 0 题