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斯特瓦爾特定理與托勒密定理的相互證明

斯特瓦爾特定理給出了三角形中切氏線(Cevian)與三邊長度之間的關系,利用該定理 可以推導出著名的托勒密定理。反之,利用托勒密定理也可以推導出斯特瓦爾特定理。

一、利用斯特瓦爾特定理推導出托勒密定理

如圖1,在△ABC中,D為BC上一點,連接AD,根據斯特瓦爾特定理有:

AB2·DC + AC2·BD - AD2·BC=BC·BD·DC,

或AD2·BC=AB2·DC + AC2·BD-BC·BD·DC,

或AB2·DC + AC2·BD=AD2·BC+BC·BD·DC。

作△ABC的外接圓(圖2),延長AD交圓于E,連接EB、EC。在四邊形ABEC中,根據托勒密定理有下列線段等式:AB·EC+AC·BE=BC·AE。下面介紹兩種方法證明托勒密定理。

1.直接利用斯特瓦爾特定理公式推導出托勒密定理公式。

在圓內接四邊形ABEC中,根據相交弦定理得:

AD·DE=BD·DC…………①;

易證△DAB∽△DCE,則EC/AB=DC/AD,

AB·DC=AD·EC…………②;

同理△DBE∽△DAC,則BE/AC=BD/AD,

AC·BD=AD·BE…………③。

將上述三個等式分別代入斯特瓦爾特定理公式中進行變形:

AD2·BC=AB2·DC + AC2·BD-BC·BD·DC,

AD2· BC=AB(AB· DC)+ AC(AC· BD)-BC(BD·DC),

AD2· BC=AB·AD·EC+ AC·AD·BE-BC·AD·DE,

即AD·BC=AB·EC+ AC·BE-BC·DE,

AD·BC+BC·DE=AB·EC+ AC·BE,

BC(AD+DE)=AB·EC+ AC·BE,

AB·EC+AC·BE=BC·AE成立。

2.根據圖2中的三個線段等式關系(AD· DE=BD· DCEC/AB=DC/AD, BE/AC=BD/AD)及斯特瓦爾特定理公式(AB2·DC + AC2·BD=AD2·BC+BC·BD·DC)對托勒密定理公式AB·EC+AC·BE=BC·AE的左側表達式進行變形得:

AB·EC+AC·BE

=AB2·EC/AB+AC2·BE/AC

= AB2·DC/AD+AC2·BD/AD

=(AB2·DC+AC2·BD)/AD

=(AD2·BC+BC·BD·DC)/AD

=(AD2·BC+BC·AD· DE)/AD

= AD·BC+BC·DE

= BC(AD+DE)

= BC·AE

AB·EC+AC·BE=BC·AE成立。

二、直接利用托勒密定理推導斯特瓦爾特定理

根據圖2圓內接四邊形ABEC中已知的線段等量關系,將托勒密定理公式直接變形如下:

AB·EC+AC·BE=BC·AE,

AB2·EC/AB+AC2·BE/AC=BC·AE,

AB2·DC/AD+AC2·BD/AD=BC·AE,

AB2·DC+AC2·BD=BC·AE·AD,

AB2·DC+AC2·BD=BC·AD(AD+DE),

AB2·DC+AC2·BD=BC·AD 2+BC·AD·DE,

AB2·DC+AC2·BD=BC·AD 2+BC·BD·DC,即

AB2·DC + AC2·BD - AD2·BC=BC·BD·DC成立

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