平面几何证明常用方法.doc

.目录1. 引言 2.利用平行四边形性质添加平行线证题3.利用圆中的等量关系巧作辅助圆证题 4.利用平移、旋转,翻折,几何证明中的三种基本变换证题 5.反证法证题 6.巧用面积法解几何题结论 参考文献 致谢 平面几何证明题的常用技巧 数学计算机科学学院摘 要 灵活、恰当地选择解题方法是求解平面几何问题的良好途径。解决任何一道平面几何证明题,都要应用这样或那样的方法,而选择哪一种方法,就取决于我们用什么样的解题思路。本文试对平面几何证明题中常用的几种解题思路及方法进行分析。【关键词】平面几何 证明题 思路 技巧 The plane geometry proving the commonly used skill College of Mathematics and Computer ScienceAbstract: Flexible, properly choose the problem solving method is a good way of solving plane geometry. Any solve a plane geometry proving, one way or the other method, and the choice of which method, it depends on what kind of way we use. This article try to plane geometry proving that is commonly used in several problem-solving ideas and methods are analyzed. Key words：Plane geometry To prove the topic Train of thought skills 1 引言平面几何难学,是很多初中生在学习中的共识,这里面包含了很多主观和客观因素,而学习不得法,没有适当的解题思路则是其中的一个重要原因。波利亚曾说过,“解题的成功要靠正确思路的选择,要靠从可以接近它的方向去攻击堡垒。为了辨别哪一条思路正确,哪一个方向可接近它,就要试探各种方向和思路。”由此可见,掌握证明题的一般思路、探索证题过程中的数学思维、总结证题的基本规律是求解几何证明题的关键。 2利用平行四边形性质添加平行线证题在同一平面内,不相交的两条直线叫平行线.平行线是初中平面几何最基本的,也是非常重要的图形.在证明某些平面几何问题时,若能依据证题的需要,添加恰当的平行线,则能使证明顺畅、简洁. 添加平行线证题,一般有如下四种情况. 2.1 为了改变角的位置 大家知道,两条平行直线被第三条直线所截,同位角相等,内错角相等,同旁内角互补.利用这些性质,常可通过添加平行线,将某些角的位置改变,以满足求解的需要.例1 设P、Q为线段BC上两点,且BPCQ,A为BC外一动点(如图1).当点A运动到使BAPCAQ时,ABC是什么三角形？试证明你的结论.答： 当点A运动到使BAPCAQ时,ABC为等腰三角形.证明：如图1,分别过点P、B作AC、AQ的平行线得交点D.连结DA.在DBPAQC中,显然DBPAQC,DPBC.由BPCQ,可知 DBPAQC.有DPAC,BDPQAC.于是,DABP,BAPBDP.则A、D、B、P四点共圆,且四边形ADBP为等腰梯形.故ABDP. 所以ABAC. 这里,通过作平行线,将QAC“平推”到BDP的位置.由于A、D、B、P四点共圆,使证明很顺畅.例2 如图2,四边形ABCD为平行四边形,BAFBCE.求证：EBAADE. 证明：如图2,分别过点A、B作ED、EC的平行线,得交点P,连PE. 由AB CD,易知PBAECD.有PAED,PBEC. 显然,四边形PBCE、PADE均为平行四边形.有 BCEBPE,APEADE. 由BAFBCE,可知 BAFBPE. 有P、B、A、E四点共圆. 于是,EBAAPE. 所以,EBAADE. 这里,通过添加平行线,使已知与未知中的四个角通过P、B、A、E四点共圆,紧密联系起来.APE成为EBA与ADE相等的媒介,证法很巧妙.2.2 为了改变线段的位置利用“平行线间距离相等”、“夹在平行线间的平行线段相等”这两条,常可通过添加平行线,将某些线段“送”到恰当位置,以证题.例3 在ABC中,BD、CE为角平分线,P为ED上任意一点.过P分别作AC、AB、BC的垂线,M、N、Q为垂足.求证：PMPNPQ.证明：如图3,过点P作AB的平行线交BD于F,过点F作BC的平行线分别交PQ、AC于K、G,连PG. 由BD平行ABC,可知点F到AB、BC两边距离相等.有KQPN. 显然,可知PGEC. 由CE平分BCA,知GP平分FGA.有PKPM.于是, PMPNPKKQPQ. 这里,通过添加平行线,将PQ“掐开”成两段,证得PMPK,就有PMPNPQ.证法非常简捷.2.3 为了线段比的转化 由于“平行于三角形一边的直线截其它两边,所得对应线段成比例”,在一些问题中,可以通过添加平行线,实现某些线段比的良性转化.这在平面几何证题中是会经常遇到的.例4 设M1、M2是ABC的BC边上的点,且BM1CM2.任作一直线分别交AB、AC、AM1、AM2于P、Q、N1、N2.试证：.证明：如图4,若PQBC,易证结论成立. 若PQ与PQPMPK,PMPNPQ.M1、M2ABCBCBM1CM2.AB、AC、AM1、AM2P、Q、N1、N2.PQBCPQ与BC不平行,设PQ交直线BC于D.过点A作PQ的平行线交直线BC于E. 由BM1CM2,可知BECEM1EM2E,易知 , ,.则.所以,. 这里,仅仅添加了一条平行线,将求证式中的四个线段比“通分”,使公分母为DE,于是问题迎刃而解.例5 AD是ABC的高线,K为AD上一点,BK交AC于E,CK交AB于F.求证：FDAEDA.证明：如图5,过点A作BC的平行线,分别交直线DE、DF、BE、CF于Q、P、N、M. 显然,.有BDAMDCAN. (1)由, 有AP. (2)由, 有AQ. (3)对比(1)、(2)、(3)有APAQ. 显然AD为PQ的中垂线,故AD平分PDQ.所以,FDAEDA.这里,原题并未涉及线段比,添加BC的平行线,就有大量的比例式产生,恰当地运用这些比例式,就使AP与AQ的相等关系显现出来.2.4 为了线段相等的传递 当题目给出或求证某点为线段中点时,应注意到平行线等分线段定理,用平行线将线段相等的关系传递开去.例6 在ABC中,AD是BC边上的中线,点M在AB边上,点N在AC边上,并且MDN90.如果BM2CN2DM2DN2,求证：AD2(AB2AC2).证明：如图6,过点B作AC的平行线交ND延长线于E.连ME. 由BDDC,可知EDDN.有BEDCND. 于是,BENC. 显然,MD为EN的中垂线.有 EMMN. 由BM2BE2BM2NC2MD2DN2MN2EM2,可知BEM为直角三角形,MBE90.有 ABCACB ABCEBC90. 于是,BAC90. 所以,AD2(AB2AC2). 这里,添加AC的平行线,将BC的以D为中点的性质传递给EN,使解题找到出路.例7 如图7,AB为半圆直径,D为AB上一点,分别在半圆上取点E、F,使EADA,FBDB.过D作AB的垂线,交半圆于C.求证：CD平分EF. 证明：如图7,分别过点E、F作AB的垂线,G、H为垂足,连FA、EB.易知 DB2FB2ABHB, AD2AE2AGAB. 二式相减,得 DB2AD2AB(HBAG),或 (DBAD)ABAB(HBAG). 于是,DBADHBAG,或 DBHBADAG. 就是DHGD. 显然,EGCDFH. 故CD平分EF. 这里,为证明CD平分EF,想到可先证CD平分GH.为此添加CD的两条平行线EG、FH,从而得到G、H两点.证明很精彩. 经过一点的若干直线称为一组直线束. 一组直线束在一条直线上截得的线段相等,在该直线的平行直线上截得的线段也相等. 如图8,三直线AB、AN、AC构成一组直线束,DE是与BC平行的直线.于是,有 ,即 或. 此式表明,DMME的充要条件是 BNNC. 利用平行线的这一性质,解决某些线段相等的问题会很漂亮.例8 如图9,ABCD为四边形,两组对边延长后得交点E、F,对角线BDEF,AC的延长线交EF于G.求证：EGGF.证明：如图9,过C作EF的平行线分别交AE、AF于M、N.由BDEF,可知MNBD.易知 SBEFSDEF. 有SBECSKG *5DFC. 可得MCCN. 所以,EGGF.例9 如图10,O是ABC的边BC外的旁切圆,D、E、F分别为O与BC、CA、AB的切点.若OD与EF相交于K,求证：AK平分BC.证明：如图10,过点K作BC的行平线分别交直线AB、AC于Q、P两点,连OP、OQ、OE、OF. 由ODBC,可知OKPQ. 由OFAB,可知O、K、F、Q四点共圆,有 FOQFKQ. 由OEAC,可知O、K、P、E四点共圆.有EOPEKP. 显然,FKQEKP, 可知 FOQEOP. 由OFOE,可知 RtOFQRtOEP. 则OQOP. 于是,OK为PQ的中垂线,故QKKP. 所以,AK平分BC. 综上,我们介绍了平行线在平面几何问题中的应用.同学们在实践中应注意适时添加平行线,让平行线在平面几何证题中发挥应有的作用. 3利用圆中的等量关系巧作辅助圆 在某些数学问题中,巧妙添置辅助圆常可以沟通直线形和圆的内在联系,通过圆的有关性质找到解题途径.下面举例说明添置辅助圆的若干思路.3.1 挖掘隐含的辅助圆解题 有些问题的题设或图形本身隐含着“点共圆”,此时若能把握问题提供的信息,恰当补出辅助圆,并合理挖掘图形隐含的性质,就会使题设和结论的逻辑关系明朗化.1.1 作出三角形的外接圆例1 如图1,在ABC中,ABAC,D是底边BC上一点,E是线段AD上一点且BED2CEDA.求证：BD2CD.分析：关键是寻求BED2CED与结论的联系.容易想到作BED的平分线,但因BEED,故不能直接证出BD2CD.若延长AD交ABC的外接圆于F,则可得EBEF,从而获取.证明：如图1,延长AD与ABC的外接圆相交于点F,连结CF与BF,则BFABCAABCAFC,即BFDCFD.故BF:CFBD:DC. 又BEFBAC,BFEBCA,从而FBEABCACBBFE.故EBEF. 作BEF的平分线交BF于G,则BGGF. 因GEFBEFCEF,GFECFE,故FEGFEC.从而GFFC. 于是,BF2CF.故BD2CD.1.2 利用四点共圆例2 凸四边形ABCD中,ABC60,BADBCD90, AB2,CD1,对角线AC、BD交于点O,如图2.证sinAOB.分析：由BADBCD90可知A、B、C、D四点共圆,欲求sinAOB,联想到托勒密定理,只须求出BC、AD即可.解：因BADBCD90,故A、B、C、D四点共圆.延长BA、CD交于P,则ADPABC60. 设ADx,有APx,DP2x.由割线定理得(2x)x2x(12x).解得ADx22,BCBP4. 由托勒密定理有 BDCA(4)(22)211012. 又SABCDSABDSBCD. 故sinAOB.例3 已知：如图3,ABBCCAAD,AHCD于H,CPBC,CP交AH于P.求证：ABC的面积SAPBD. 分析：因SABCBC2ACBC,只须证ACBCAPBD,转化为证APCBCD.这由A、B、C、Q四点共圆易证(Q为BD与AH交点).证明：记BD与AH交于点Q,则由ACAD,AHCD得ACQADQ. 又ABAD,故ADQABQ. 从而,ABQACQ.可知A、B、C、Q四点共圆. APC90PCHBCD,CBQCAQ, APCBCD. ACBCAPBD. 于是,SACBCAPBD.3.2 构造相关的辅助圆解题有些问题貌似与圆无关,但问题的题设或结论或图形提供了某些与圆的性质相似的信息,此时可大胆联想构造出与题目相关的辅助圆,将原问题转化为与圆有关的问题加以解决.2.1 联想圆的定义构造辅助圆例4 如图4,四边形ABCD中,ABCD,ADDCDBp,BCq.证对角线AC的长为. 分析：由“ADDCDBp”可知A、B、C在半径为p的D上.利用圆的性质即可找到AC与p、q的关系.解：延长CD交半径为p的D于E点,连结AE.显然A、B、C在D上. ABCD, BCAE. 从而,BCAEq. 在ACE中,CAE90,CE2p,AEq,故 AC.2.2 联想直径的性质构造辅助圆例5 已知抛物线yx22x8与x轴交于B、C两点，点D平分BC.若在x轴上侧的A点为抛物线上的动点,且BAC为锐角,证AD的取值范围是3AD9.分析：由“BAC为锐角”可知点A在以定线段BC为直径的圆外,又点A在x轴上侧,从而可确定动点A的范围,进而确定AD的取值范围.解：如图5,所给抛物线的顶点为A0(1,9),对称轴为x1,与x轴交于两点B(2,0)、C(4,0). 分别以BC、DA为直径作D、E,则两圆与抛物线均交于两点P(12,1)、Q(12,1). 可知,点A在不含端点的抛物线PA0Q内时,BAC90.且有3DPDQADDA09,即AD的取值范围是3AD9.2.3 联想圆幂定理构造辅助圆例6 AD是RtABC斜边BC上的高,B的平行线交AD于M,交AC于N.求证：AB2AN2BMBN.分析：因AB2AN2(ABAN)(ABAN)BMBN,而由题设易知AMAN,联想割线定理,构造辅助圆即可证得结论.证明：如图6, 234590,又34,15,12.从而,AMAN. 以AM长为半径作A,交AB于F,交BA的延长线于E.则AEAFAN. 由割线定理有 BMBNBFBE (ABAE)(ABAF) (ABAN)(ABAN) AB2AN2, 即 AB2AN2BMBN.例7 如图7,ABCD是O的内接四边形,延长AB和DC相交于E,延长AB和DC相交于E,延长AD和BC相交于F,EP和FQ分别切O于P、Q.求证：EP2FQ2EF2.分析：因EP和FQ是O的切线,由结论联想到切割线定理,构造辅助圆使EP、FQ向EF转化.4 平移、旋转,翻折,几何证明中的三种基本变换所谓几何变换就是根据确定的法则，对给定的图形(或其一部分)施行某种位置变化，然后在新的图形中分析有关图形之间的关系4.1正三角形类型在正ABC中，P为ABC内一点，将ABP绕A点按逆时针方向旋转600，使得AB与AC重合。经过这样旋转变化，将图（1-1-a）中的PA、PB、PC三条线段集中于图（1-1-b）中的一个PCP中，此时PAP也为正三角形。例1. 如图：（1-1）：设P是等边ABC内的一点，PA=3， PB=4，PC=5，证明APB的度数是150.证：以PA为一边，向外作正三角形APQ，连接BQ，可知PQ=PA=3，APQ=60，由于AB=AC，PA=QA，CAP+PAB=60=PAB+BAQ，即：CAP=BAQ，所以CAPBAQ可得：CP=BQ=5，在BPQ中，PQ=3，PB=4，BQ=5，由勾股定理，知BPQ是直角三角形。所以BPQ=90所以APB=APQ+BPQ=60+90=150。4.2正方形类型在正方形ABCD中，P为正方形ABCD内一点，将ABP绕B点按顺时针方向旋转900，使得BA与BC重合。经过旋转变化，将图（2-1-a）中的PA、PB、PC三条线段集中于图（2-1-b）中的CPP中，此时BPP 为等腰直角三角形。例2 . 如图（2-1）：P是正方形ABCD内一点，点P到正方形的三个顶点A、B、C的距离分别为PA=1，PB=2，PC=3。证正方形ABCD面积为22+5。解：作AED使DAE=BAP，AE=AP连结EP，则ADEABP（SAS）同样方法，作DFC且有DFCBPC。易证EAP为等腰直角三角形，又AP=1PE=2 同理，PF=32EDA=PBA，FDC=PBC又PBA+PBC=90EDF=EDA+FDC+ADC= 90+90=180点E、D、F在一条直线上。EF=ED+DF=2+2=4，在EPF中，EF=4，EP=2 ，FP=32由勾股定理的逆定理，可知EPF为直角三角形正方形ABCD的面积=EPF的面积+EPA的面积+=PFC的面积=22+54.3等腰直角三角形类型 在等腰直角三角形ABC中， C=900 , P为ABC内一点，将APC绕C点按逆时针方向旋转900，使得AC与BC重合。经过这样旋转变化，在图（3-1-b）中的一个P CP为等腰直角三角形。例3如图，在ABC中， ACB =900，BC=AC，P为ABC内一点，且PA=3，PB=1，PC=2。证 BPC的度数为135。因为ABC中ACBC，ACB=90所以可将三角形APC绕C旋转90度，CA与CB重合，P移动到D，连接PD显然BDPA1，CDPC2，PCD90，APCCDB所以PD22，PDCDPC45因为PB3所以PD2BD2PB2所以PBD是直角三角形且PDB90所以CDB9045135所以APCCDB1355.1反证法证明平面几何问题,运用反证法是一种重要的方法.反证法就是先假设待证的结论不成立,经过严密的推理,推出和已知条件或已知的定义、定理、公理相矛盾,从而肯定待证结论成立. 一、用于“必然性”问题的证明 如果一个命题的结论以“必然”、“等于”等形式给出，考虑使用反证法常常奏效。 例1： 证明：三角形的三个内角中，至少有一个角不大于60. 已知：ABC， 求证：A、B、C、中至少有一个角不大于60。 证明：假设三角形ABC的三个内角A、B、C都大于60，则A+B+C180，即三个内角的和大于180，这与三角形的内角和等于180相矛盾， 所以三角形的三个内角至少有一个角不大于60。 二、常规性证明习题 此类习题可用常规证明，也并不复杂。如例题2，利用平行和等边对等角就可以证明。但在此利用反证法证明，通过简单习题的运用，可让学生进一步理解反证法的运用，对学生思维能力的提升，也为学生在分析复杂问题的结论是否正确时提供一种方法。 例2： 如图1，已知CAE是ABC的外角，ADBC，且1=2，12图5 求证：AB=AC， 证明：假设ABAC，则BC，因为ADBC，所以1=B，2=C，所以12， 这与已知1=2相矛盾， 所以AB=AC。 三、用于“结论否定形式”的命题的证明 当命题的结论涉及到否定形式的论断时，宜用反证法。而此类习题用常用证明方法很难证明。 例3 ：如图2，在ABC中，D、E 两点分别在AB和AC上。 求证：CD、BE不能互相平分。 证明：假设CD、BE互相平分，连接DE，则根据对角线互相平分的四边形是平行四边形，所以有DE/BC，BD/EC，这与BD、CE相交于点A矛盾。 所以CD、BE不能互相平分。 四、用于证明“唯一性”的问题 有些唯一性命题的证明使用反证法证明较简捷。此类习题以概念性习题为主。 例4：试说明两条直线相交，只有一个交点。 证明：如图，假设直线AB与CD有两个或两个以上的交点。不妨设交于点P，点E两个交点，则过点P、E的直线有两条，即直线AB与CD，这与“过两点有且只有一条直线”相矛盾。 所以，两条直线相交，只有一个交点。 6巧用面积法解几何题 用面积法解几何问题是一种重要的数学方法，在初中数学中有着广泛的应用，这种方法有时显得特别简捷，有出奇制胜、事半功倍之效，请看以下几例。6.1. 利用面积法求线段的长 例1. 如图1，AD是的斜边BC上的高，且，AB45，求AD。 解：由勾股定理得： 例2. 如图2，矩形ABCD中ABa，BCb，M