hujunhua 发表于 2013-7-5 23:16:57

步骤最少的双纽线几何作图,求证明

如图,T是弓形AB的弧顶,M是弓形的底中,C是弧上的一点,并且TC=TM.
试证明:AC*BC=AM^2

本想了结一个旧帖《光子之约》的,其中要用到一个双纽线的例子,谁知时间搁久了竟然忘了怎么用于双纽线。
却碰巧发现了双纽线上点的一个有趣作图方法。反正从几何画板上动起来没錯,但是还没有找到几何证明。漂亮的结论,简洁之美!
解析方法是星空的强项,还是留给数学星空吧。

hujunhua 发表于 2013-7-5 23:59:07

与双纽线的关系

如果上述命题成立,就能导出伯努利双纽线
(x^2+y^2)^2=2(x^2-y^2)
上的点的一种简明的作图方法:
1、在Y轴上任取点C,作过单位点F_2(1, 0)的圆C,交Y轴于A,B两点
2、分别以A, B为圆心作过原点O的圆弧,交圆C于P_1,P_2,P_3,P_4四点就是双纽线上的点。

动点C跑遍Y轴时,P_i(i=1,2,3,4)就画双纽线在第 i 象限的部分。

guxd 发表于 2013-7-6 08:16:37

楼主问题好深奥啊

copyleft 发表于 2013-7-6 09:14:08

第一眼瞅着,觉得双纽线的方程很像 三角形中线与三边的关系式子

数学星空 发表于 2013-7-6 09:31:26

现在我试一下解析法:
设C(0,z) ,根据画图规则,我们可以得到
以圆心为C的方程: x^2+(y-z)^2=1+z^2,令x=0得到
A(0,z+sqrt(z^2+1)), B(0,z-sqrt(z^2+1)) ,进一步得到
以圆心为A的方程:x^2+(y-z-sqrt(z^2+1))^2=(z+sqrt(z^2+1))^2
以圆心为B的方程:x^2+(y-z+sqrt(z^2+1))^2=(z-sqrt(z^2+1))^2
与圆心为C的方程联立求得:
P1,P2的坐标(x,y)满足: y=1/(2*sqrt(z^2+1)) , x^2=1-y^2-2*y*z
P3,P4的坐标(x,y)满足: y=-1/(2*sqrt(z^2+1)), x^2=1-y^2-2*y*z
显然P1,P2,P3,P4同时满足:y^2=1/(4*(z^2+1)) , x^2=1-y^2-2*y*z
将z=(x^2+y^2-1)/(2*y)代入y^2=1/(4*(z^2+1))整理即得:
(x^2+y^2)^2=2*(x^2-y^2)

wayne 发表于 2013-7-6 09:35:28

有思路了:

根据中线定理:
AC^2+BC^2=2(AM^2+CM^2)
两边同时减去 AB^2,得到:
2*AC*BC*cosACB = 2(CM^2-AM^2)

看目标,就知道,接下来我们要把CM 换成AM

因为TC=TM,所以,根据余弦定理,CM ^2= 2*TM^2(1-cosCTM)

注意到AM =TM*tanATM=TM*tan(ACB/2)
于是统统代进去,三角化简,原则上 ,可以得证
AC*BC= AM^2




wayne 发表于 2013-7-6 09:40:07

有待完善,角度CTM与角度ACB 没有转化过来

不过思路大致是这样
先占一个坑,回头再补

hujunhua 发表于 2013-7-6 10:32:10

星空写再多公式都能一气只哈成,不带编辑的,我就不行,凡是含Tex公式的帖子,我都得来回编辑好几次,深惧之。

wayne 发表于 2013-7-6 11:19:14

首先设角度ACB =2a,则角度ATM=a
设角度CTM=2b,则角度AMC =b
角度CBM=角度CBA=角度CTA =2b-a
角度BCM=角度AMC -角度ABC =a-b
于是在三角形CMB内部,运用正弦定理得 约束:
1) {CM}/{MB} =sin(2b-a)/sin(a-b)
另外,根据直角关系,得到:
CM=2*TM*sin(b)
AM=TM*tan(a)
所以
2){CM}/{AM} ={2*sin(b)}/tan(a)
MB=MA, 联合1),2), 三角化简,得到a,b的关系
*****)2cos(2b) =1+cos(2a)TrigFactorSin-TanSin]也就是说,前面假设的2个变量a,b之间的关系理清楚了。
接下来,我们该关注目标式子了:

根据6楼,我们得到
AC*BC*cos2a = CM^2-AM^2
把CM/AM的比值当作整体来看,设为k,则问题就是 要我们求证 k^2 =cos(2a)+1

OK ,我们在回到2) 和 *****) 的表达式

k^2=({CM}/{AM})^2= ({2*sin(b)}/tan(a))^2 = {4*sin(b)^2}/{1/{cos(2b)}-1}=2cos(2b) =1+cos(2a)
终于,得证:
AC*BC= AM^2

我要倒了!
本想纯几何的证明,结果这么多三角运算,几乎跟解析几何无异了!


wayne 发表于 2013-7-6 12:03:46


:P
页: [1] 2 3
查看完整版本: 步骤最少的双纽线几何作图,求证明