词条 | 斯坦纳问题 |
释义 | 背景斯坦纳问题:“如果三角形中两内角平分线相等,则必为等腰三角形”。 这一命题的逆命题:“等腰三角形两底角的平分线长在相等”,早在二千多年前的《几何原本》中就已作为定理,证明是很容易的。 1840年,德国数学家雷米欧斯给当时的大数学家斯图姆的一封信中说到:“几何题在没有证明之前,很难说它是难还是容易。等腰三角形的两底角平分线相等,初中生都会证明。但反过来,三角形的两内角平分线相等,这个三角形一定是等腰三角形吗?我至今还没想出来。” 但上述命题在《几何原本》中只字未提,直到1840年,莱默斯(C.L.Lehmus)在他给斯图姆(C.Sturm)的信中提出请求给出一个纯几何证明。斯图姆没有解决,就向许多数学家提出这一问题。首先给出证明的是瑞士几何学家斯坦纳(J.Steiner,1796~1863),因而这一定理就称为斯坦纳—莱默斯定理。 证明德国数学家海塞(L.O.Hesse,1811~1874)的证法: 作∠BDF=∠BCE;并使DF=BC ∵BD=EC, ∴△BDF≌△ECB,BF=BE,∠BEC=∠DBF. 设∠ABD=∠DBC=α,∠ACE=∠ECB=β, ∠FBC=∠BEC+α=180°-2α-β+α=180°-(α+β); ∠CDF=∠FDB+∠CDB=β+180-2β-α=180°-(α+β); ∴∠FBC=∠CDF, ∵2α+2β<180°, ∴α+β<90°, ∴∠FBC=∠CDF>90° ∴过C点作FB的垂线和过F点作CD的垂线必都在FB和CD的延长线上. 设垂足分别为G、H;∠HDF=∠CBG;∵BC=DF,∴Rt△CGB≌Rt△FHD,∴CG=FH,BC=HD 连接CF,∵CF=FC,FH=CG,∴Rt△CGF≌△FHC(HL),∴FG=CH, 又∵BG=DH,∴BF=CD, 又∵BF=BE,∴CD=BE,∵BE=CD,BC=CB,EC=DB,∴△BEC≌△CDB,∴∠ABC=∠ACB ∴AB=AC. 其他证明证明一设三角形ABC,角B、角C的平分线是BE、CD 作∠BEF=∠BCD;并使EF=BC ∵BE=DC ∴△BEF≌△DCB,BF=BD,∠BDC=∠EBF 设∠ABE=∠EBC=α,∠ACD=∠DCB=β ∠FBC=∠BDC+α=180°-2α-β+α=180°-(α+β); ∠CEF=∠FEB+∠CEB=β+180-2β-α=180°-(α+β); ∴∠FBC=∠CEF ∵2α+2β<180°,∴α+β<90° ∴∠FBC=∠CEF>90° ∴过C点作FB的垂线和过F点作CE的垂线必都在FB和CE的延长线上. 设垂足分别为G、H; ∠HEF=∠CBG; ∵BC=EF, ∴Rt△CGB≌Rt△FHE ∴CG=FH,BG=HE 连接CF ∵CF=FC,FH=CG ∴Rt△CGF≌△FHC ∴FG=CH,∴BF=CE,∴CE=BD ∵BD=CE,BC=CB,∴△BDC≌△CEB ∴∠ABC=∠ACB ∴AB=AC 证明二设二角的一半分别为α、β sin(2α+β)/ sin2α= BC/CE = BC/BD = sin(α+2β)/ sin2β, ∴2sinαcosαsin(α+2β) - 2sinβcosβsin(2α+β) =0 →sinα[sin2(α+β)+sin 2β]- sinβ[sin2(α+β)+ sin2α]=0 →sin2(α+β)[sinα-sinβ]+2 sinαsinβ[cosβ- cosα]=0 →sin [(α-β)/2][sin2(α+β) cos[(α+β)/2] + 2 sinαsinβsin [(α+β)/2]=0 ,∴sin[(α-β)/2]=0 ∴α=β,∴AB=AC. 证明三用张角定理: 2cosα/BE=1/BC+1/AB 2cosβ/CD=1/BC+1/AC 若α>β 可推出AB>AC矛盾! 若α<β 可推出AB 所以AB=AC 后世发展斯坦纳的证明发表后,引起了数学界极大反响。论证这个定理的文章发表在1842年到1864年的几乎每一年的各种杂志上。后来,一家数学刊物公开征解,竟然收集并整理了60多种证法,编成一本书。直到1980年,美国《数学老师》月刊还登载了这个定理的研究现状,随后又收到了2000多封来信,增补了20多种证法并收到了一个最简单的直接证法。经过几代人的努力,100多年的研究,“斯坦纳-雷米欧斯”定理已成为数学百花园中最惹人喜爱的瑰丽花朵! |
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