教材 · 数学 Course 2 · 图形 · 图形的性质

三角形的五心

三角形の五心

7 図形の性質 / 三角形の性質
一句话结论

外心是三边垂直平分线的交点,到三个顶点等距;内心是三条内角平分线的交点,到三边等距;重心是三条中线的交点,把每条中线分成 2:12:1;垂心是三条高的交点。解题时:外心找等长线段,内心找等角,重心找 2:12:1 和中点,垂心找直角。

在三个村子之间建水塔,要它到三个村子一样远;在三角形草坪上装喷头,要它到三面围栏一样远;用一根手指顶起三角形纸板,要它不倒。三个答案是三个不同的点:外心、内心、重心。每一个都是「三条线交于一点」,而它的性质,正好就是那三条线的性质。

为什么是这样

外心:到 AA、BB 等距的点正好组成 ABAB 的垂直平分线。ABAB、ACAC 的垂直平分线交于 OO,则 OA=OBOA=OB、OA=OCOA=OC,于是 OB=OCOB=OC,OO 也在 BCBC 的垂直平分线上。以 OO 为圆心、OAOA 为半径的圆过三个顶点,叫外接圆。锐角三角形的外心在内部,直角三角形在斜边中点,钝角三角形在外部。

内心:角内部到角两边等距的点正好组成角平分线。∠B\angle B、∠C\angle C 的平分线交于 II,II 到三边等距,所以也在 ∠A\angle A 的平分线上,它是内切圆的圆心,总在内部。一个内角的平分线与另两个外角的平分线也交于一点,叫旁心(傍心),每个三角形有三个,是旁切圆的圆心。

重心:中线 ALAL、BMBM(LL、MM 是 BCBC、CACA 的中点)交于 GG。由中位线定理 ML∥ABML\parallel AB 且 ML=12ABML=\dfrac12AB,所以 AG:GL=AB:ML=2:1AG:GL=AB:ML=2:1。ALAL 与 CNCN 的交点同样按 2:12:1 分 ALAL,只能是同一点,三条中线交于 GG。垂心:过每个顶点作对边的平行线围成大三角形,原来的三条高正是大三角形三边的垂直平分线,所以交于一点。这五个点合称五心,正三角形的外心、内心、重心、垂心重合。

同一个锐角三角形的外心、内心、重心、垂心:各由哪三条线相交而来外心 OOABC三边垂直平分线的交点:OA = OB = OC内心 IIABC三内角平分线的交点:到三边等距重心 GGL21ABC三条中线的交点:AG : GL = 2 : 1垂心 HHABC三条高的交点

定量表达

记 a=BCa=BC,b=CAb=CA,c=ABc=AB。角:∠A\angle A 为锐角时 ∠BOC=2∠A\angle BOC=2\angle A(圆心角是圆周角的两倍);∠IBC=B2\angle IBC=\dfrac B2,∠ICB=C2\angle ICB=\dfrac C2,所以 ∠BIC=90∘+A2\angle BIC=90^\circ+\dfrac A2。比:直线 AIAI 交 BCBC 于 DD,在 △ABD\triangle ABD 中 BIBI 平分 ∠B\angle B,于是 AI:ID=AB:BD=(b+c):aAI:ID=AB:BD=(b+c):a;重心 AG=23ALAG=\dfrac23AL,三条中线把三角形分成面积相等的六块。

长度:把三角形按内心分成三块,面积 S=12r(a+b+c)S=\dfrac12r(a+b+c),由此求内切圆半径 rr;外接圆半径用正弦定理 asin⁡A=2R\dfrac{a}{\sin A}=2R。中线长用下面的中线定理。另外,外心 OO、重心 GG、垂心 HH 在一条直线(欧拉线)上,OG:GH=1:2OG:GH=1:2,并且 AH=2OMAH=2OM(MM 是 BCBC 的中点)。

AB2+AC2=2(AM2+BM2)AB^2+AC^2=2\left(AM^2+BM^2\right)
A, B, CA,\ B,\ C
三角形的三个顶点
MM
边 BCBC 的中点,AMAM 是中线
BMBM
BCBC 的一半,即 a2\dfrac{a}{2}
适用条件
  • MM 必须是中点。逆命题不成立:BCBC 上满足 AB2+AC2=2(AP2+BP2)AB^2+AC^2=2(AP^2+BP^2) 的点 PP 不一定是中点
  • 证明:从 AA 作 BCBC 的垂线,在两个直角三角形里各用一次勾股定理;也可在 △ABM\triangle ABM、△ACM\triangle ACM 里各用一次余弦定理再相加

怎么用

先认出是哪一心,再写出它带来的等量:外心给 OA=OB=OCOA=OB=OC(图里全是等腰三角形),内心给等角和等距,重心给 2:12:1 与中点,垂心给直角。题目没说「重心」时也要认出来:两条中线的交点就是重心,它和第三个顶点的连线必过对边中点。含 AB2AB^2 这类平方的等式,有垂线就用勾股定理,有中点就用中线定理。

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