向量和三角形的五心

向量和三角形的五心一、前言：在本校自然资优班的一次数学课堂中，笔者讲到以下的性质：在中，若点为的重心，则，其中点为任一点。下课后，有位许同学便到办公室提出以下的问题：（1）在中，点为的重心，可得到的结果；那么反过来，若有一点，满足，是否保证点为的重心呢？（2）在中，另外的四心，即内心、垂心、外心、傍心，是否也有类似充要条件的性质呢？当时笔者告诉许同学，重心、内心、傍心有类似性质，其中重心的性质是充要条件没错；至于内心、傍心的性质是否为充要，还须再证明看看；而垂心、外心的向量充要性质老师还没看过，容老师再思考一些时间。接到许同学的问题后，笔者便与刘国莉老师一起讨论，经过仔细探讨之后，我们得到以下的结果：1.重心向量性质的充要条件与证明。2.内心向量性质的充要条件与证明。3.傍心向量性质的充要条件与证明。4.外心向量性质的充要条件与证明。5.垂心向量性质的充要条件与证明。二、重心的向量性质：我们将三角形重心与向量性质的充要条件写成定理1如下：定理1：如图（一），在中，则点为的重心的充要条件为（其中点为任一点）图（一）证明：设点为的重心，延长交于点，则，。因此，。图（一）设点为任一点，。另一方面，已知，其中点为任一点，令代入得。延长交于点，设，共线，，得。因此，，故为边上的中线。同理可证：延长交于点，则为边上的中线，故点为的重心。三、内心的向量性质：我们先证明三角形的内分比性质的充要条件，再进一步证明三角形内心与向量性质的充要条件，分别写成性质1及定理2如下：性质1：图（二）如图（二），在中，点为上的一点，则为的角平分线的充要条件为图（二）证明：证明省略。图（三）如图（三），设中，，，，因，设，，为正数。作交的延长线于点，则。可知，又，得为的角平分线。图（三）定理2：如图（四），在中，点为任一点，则点为的内心的充要条件为。设交于点，可设，因共线。，由性质1知：为的内角平分线。另一方面，令点为点代入，得，，。又为的内角平分线；因此，。，由性质2可知：为的外角平分线。同理可证：为的外角平分线。故为中所对之傍心。五、外心的向量性质：我们将三角形外心与向量性质的充要条件写成定理4如下：定理4：如图（七），在中，点为任一图（七）点，则点为的外心的充要条件为，（其中表的面积）图（七）证明：如图（七），已知点为的外心，，，。设于点，于点，则。同理，。设-------（＊），由方程组（＊）可得。由海龙公式，其中，可知。由方程组（＊）可得，。所以。设平面上任一点，。已得到，利用面积公式，及余弦定理、、代入上式，即可得。图（八）已知，点为平面上任一点，令点为点代入，得。如图（八），设点为中点，，。因此图（八）。所以，直线为的中垂线。同理可证为的中垂线。故点为的外心。六、垂心的向量性质：我们将三角形垂心与向量性质的充要条件写成定理5如下：定理5：如图（九），在中，点为任一点，则点为的垂心的充要条件为（其中表的面积）图（九）证明：如图（九），中，，，。于点，于点，点为的垂心。则，，；因此，。图（九）设------（＊＊）。由方程组（＊＊）可得。，。设平面上任一点，接者，将面积公式，及余弦定理、、代入，即可得。如图（九），已知，点为任一点。令点为点代入，得。。因此，直线垂直。同理可证，直线垂直，故点为的垂心。七、结论：我们在本文的探讨研究中，发现学生有时会提出看似平凡而却容易被遗漏的问题，而这些问题在被提出后，往往是令人觉得深思的问题。平常在教学过程中，看到三角形的重心，便自然想到向量的性质的口诀，甚至很少特别提出这是三角形重心的充要条件；内心、傍心亦复如是。匆匆岁月，经过学生提问，才激励我们将三角形五心与向量性质的充要条件，作进一步的整理，并完成五心与向量性质充要条件的证明，实在是感恩学生的提问与智慧。从探讨中我们深深感到教学相长的真实，学生的提问有时会激发老师另ㄧ层的深入思考，难怪古人说：「有天才学生，没有天才老师。」因此，在此提出，千万不可忽视学生的任何一个问题，好好去思考