射影定理

前言

在初中和高中阶段,我们接触和使用的射影定理有以下两种形式。

射影定理1

直角三角形射影定理,又叫欧几里德(Euclid)定理,其内容:直角三角形中,斜边上的高是两直角边在斜边上射影的比例中项。每一条直角边是这条直角边在斜边上的射影和斜边的比例中项。

符号语言:如图,(Rt riangle ABC)中,(angle BAC=90°)(AD)是斜边(BC)上的高,则有射影定理如下:

[➊AD^2=BDcdot DC ]

[➋AB^2=BDcdot BC ]

[➌AC^2=CDcdot BC ]

证明:这主要是由相似三角形来推出的,

例如,证明(AD^2=BDcdot DC)

( riangle BAD)( riangle ACD)中,(∠B=∠DAC)(∠BDA=∠ADC=90°)

( riangle BADsim riangle ACD),所以 (cfrac{AD}{BD}=cfrac{CD}{AD})

所以得到,(AD^2=BDcdot DC). 其余仿此证明;

注:由上述射影定理还可以证明勾股定理。

比如由公式➋+➌得到,

(AB^2+AC^2=BDcdot BC+CDcdot BC=(BD+CD)BC=BC^2)

(AB^2+AC^2=BC^2),这就是勾股定理的结论。

射影定理2

任意三角形射影定理注释:以“(a)(=)(bcdotcos C)(+)(ccdotcos B)”为例,(b)(c)(a)上的射影分别为(bcdotcos C)(ccdotcos B),故名射影定理。(quad),又称“第一余弦定理”,其内容为:三角形的任意一边的长等于其他两边在这条边上的射影之和。

符号语言:设( riangle ABC)的三边是(a)(b)(c),它们所对的角分别是(A)(B)(C),则有:

[➊a=bcdotcos C+ccdotcos B ]

[➋b=ccdotcos A+acdotcos C ]

[➌c=acdotcos B+bcdotcos A ]

[证法1]:设点(C)在直线(AB)上的射影为点(D)

(AC)(BC)在直线(AB)上的射影分别为(AD)(BD)

(AD=bcdotcos A)(BD=acdotcos B)

(c=AD+BD=bcdotcos a+acdotcos B). 同理可证其余。
  
[证法2]:由正弦定理,可得:(b=cfrac{asin B}{sin A})(c=cfrac{asin C}{sin A})

(c=cfrac{asin(A+B)}{sin A}=cfrac{a(sin Acos B+cos Asin B)}{sin A})

(=acos B+(cfrac{asin B}{sin A})cos A=acdotcos B+bcdotcos A). 同理可证其余。

[证法3]:以向量三角形为案例,

(overrightarrow{CB}=overrightarrow{AB}-overrightarrow{AC}),两边同乘以向量(overrightarrow{CB})

得到(overrightarrow{CB}cdotoverrightarrow{CB}=(overrightarrow{AB}-overrightarrow{AC})cdotoverrightarrow{CB})

(overrightarrow{CB}^2=overrightarrow{AB}cdotoverrightarrow{CB}-overrightarrow{AC}cdotoverrightarrow{CB})

(overrightarrow{CB}^2=|overrightarrow{AB}|cdot|overrightarrow{CB}|cdotcos<overrightarrow{AB},overrightarrow{CB}>-|overrightarrow{AC}|cdot|overrightarrow{CB}|cdotcos<overrightarrow{AC},overrightarrow{CB}>)

(overrightarrow{CB}^2=|overrightarrow{AB}|cdot|overrightarrow{CB}|cdotcos B>-|overrightarrow{AC}|cdot|overrightarrow{CB}|cdotcos(pi-C))

(a^2=ccdot acdotcos B+bcdot acdotcos C),两边约去(a)

得到(a=ccdotcos B+bcdotcos C),即得到射影定理,也称第一余弦定理。

使用场景

引例,如(cfrac{sin^2A+sin^2B-sin^2C}{c}=cfrac{sin Asin B}{acos B+bcos A})

由射影定理2,将(acdotcos B+bcdotcos A=c),代入上式,

(cfrac{sin^2A+sin^2B-sin^2C}{c}=cfrac{sin Asin B}{c})

即得到(a^2+b^2-c^2=ab),接下来的思路自然就通畅无阻了.

典例剖析

( riangle ABC) 中, 内角 (A)(B)(C) 的对边分别是 (a)(b)(c)(acos B-bcos A=cfrac{c}{2}),则表达式(cfrac{acos A+bcos B}{acos B}) 的最小值为____________.

解析: 在 ( riangle ABC) 中, (c=a cos B+b cos A),[射影定理]

联立 (left{egin{array}{l}c=acos B+bcos A \ acos B-bcos A=cfrac{c}{2}end{array} ight.,) 解得(cos A=cfrac{c}{4b})(cos B=cfrac{3c}{4a})

所以 (cfrac{acos A+bcos B}{acos B}=cfrac{acdotcfrac{c}{4b}+bcdotcfrac{3c}{4a}}{acdotcfrac{3c}{4a}})

(=cfrac{1}{3}(cfrac{a}{b}+cfrac{3 b}{a})geqcfrac{1}{3} imes 2sqrt{cfrac{a}{b}cdotcfrac{3b}{a}})

(=cfrac{2sqrt{3}}{3})

当且仅当 (cfrac{a}{b}=cfrac{3 b}{a}) 时,等号成立.

(cfrac{acos A+bcos B}{acos B}) 的最小值为(=cfrac{2sqrt{3}}{3})

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