【探究】 含60°角的三角形

528 字
3 分钟
【探究】 含60°角的三角形

这边也是很久没有更新博客了,今天水一个博客顶一顶

前言#

就在不久前的一次数学测试中:我发现了一道稍有难度而又不失乐趣的题目,我把其中的一个步骤抽象成了这样一道几何题:

在△ABC中,∠A=60°,求证:仅当△ABC为等边三角形时,满足AB+AC=2BC.在\triangle ABC中,\angle A=60\degree,求证:仅当\triangle ABC为等边三角形时,满足AB+AC=2BC.

经过#

然而,在经过我 一夜未寝 的奋斗后,我给出了两种证明方法。见下。

证明方法1 - 从特殊三角形出发#

构造等边三角形,再比较 (AB+AC) 与 2BC 的平方间的关系.

辅助线#

在△ABC内构造等边三角形ABD,点D在线段AC上,过点B作BH⊥AC于点H.在\triangle ABC内构造等边三角形ABD,点D在线段AC上,过点B作BH\perp AC于点H.

证明过程#

设AB=a,CD=b设AB=a, CD=b

在等边△ABC中,AB=BD在等边\triangle ABC中, AB=BD

∵BH⊥AD\because BH \perp AD

∴AH=DH=12AD=12a\therefore AH=DH=\frac{1}{2}AD=\frac{1}{2}a

∴CH=DH+CD=12a+b\therefore CH=DH+CD=\frac{1}{2}a+b

在Rt△ABH中,∠BAH=60°在Rt\triangle ABH中, \angle BAH=60\degree

∴BH=AH⋅tan⁡60°=12a⋅3=32a\therefore BH=AH\cdot \tan{60\degree}=\frac{1}{2}a\cdot \sqrt{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}a

在Rt△BCH中,根据勾股定理,在Rt\triangle BCH中,根据勾股定理,

BC2=BH2+CH2=(32a)2+(12a+b)2=a2+b2+abBC^2=BH^2+CH^2=(\frac{\sqrt{3}}{2}a)^2+(\frac{1}{2}a+b)^2=a^2+b^2+ab

∴(2BC)2=4BC2=4(a2+b2+ab)=4a2+4b2+4ab\therefore (2BC)^2=4BC^2=4(a^2+b^2+ab)=4a^2+4b^2+4ab

∵(AB+AC)2=(a+a+b)2=4a2+b2+4ab\because (AB+AC)^2=(a+a+b)^2=4a^2+b^2+4ab

∴(2BC)2−(AB+AC)2=3b2≠0\therefore (2BC)^2-(AB+AC)^2=3b^2\neq 0

∴原命题得证.\therefore 原命题得证.

小结#

利用特殊三角形的特殊角度证明普通三角形的边角关系,从已知到未知,是一种很值得锻炼的数学思维。

证明方法2 - 遇事不决,圆来解决!#

作这个含60°角的三角形的外接圆,利用三角函数表示三个弦长之间的关系

辅助线#

作△ABC的外接圆O,连接OA,OB,OC,作\triangle ABC的外接圆O,连接OA,OB,OC,

过点O作OP⊥AB于点P,OQ⊥BC于点Q,OR⊥AC于点R.过点O作OP\perp AB于点P,OQ\perp BC于点Q,OR\perp AC于点R.

证明过程#

设⊙O的半径长为r,∠AOB=2α,∠AOC=2β设\odot O的半径长为r,\angle AOB=2\alpha ,\angle AOC=2\beta

在⊙O中,∵∠A=60°在\odot O中,\because \angle A=60\degree

∴∠BOC=2∠A=120°\therefore \angle BOC=2\angle A=120\degree

∵OB=OC,OQ⊥BC\because OB=OC,OQ\perp BC

∴∠BOQ=12∠BOC=60°,BC=2BQ\therefore \angle BOQ=\frac{1}{2}\angle BOC=60\degree,BC=2BQ

∴BC=2BQ=2(OB⋅sin⁡60°)=2(r⋅32)=3r\therefore BC=2BQ=2(OB\cdot \sin{60\degree})=2(r\cdot \frac{\sqrt{3}}{2})=\sqrt{3}r

同理AB=2r⋅sin⁡α,AC=2r⋅sin⁡β同理AB=2r\cdot \sin{\alpha},AC=2r\cdot \sin{\beta}

∵∠AOB+∠AOC+∠BOC=360°\because \angle AOB+\angle AOC+\angle BOC=360\degree

即2α+2β+120°=360°即2\alpha +2\beta +120\degree=360\degree

∴α+β=120°\therefore \alpha + \beta = 120\degree

则AB+AC=2r⋅(sin⁡α+sin⁡(120°−α))=23r⋅sin⁡(α+30°)则AB+AC=2r\cdot (\sin{\alpha}+\sin(120\degree -\alpha))=2\sqrt{3}r\cdot \sin(\alpha +30\degree)

令AB+AC=2BC,即23r⋅sin⁡(α+30°)=23r令AB+AC=2BC,即2\sqrt{3}r\cdot \sin(\alpha +30\degree)=2\sqrt{3}r

又∵α>0°,∴解得α=60°又\because \alpha >0\degree,\therefore 解得\alpha =60\degree

此时∠AOB=∠AOC=120°即△ABC为等边三角形此时\angle AOB=\angle AOC=120\degree 即\triangle ABC为等边三角形

∴仅当△为等边三角形时,才满足AB+AC=2BC\therefore 仅当\triangle 为等边三角形时,才满足AB+AC=2BC

∴原命题得证\therefore 原命题得证

小结#

只要有一定的知识储备量,没有什么事情是圆和三角函数解决不了的!

总结#

这道命题需要大家发散思维,努力回顾初高中所学,不断打磨自己…

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作者
Horean
发布于
2024-07-29
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
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