费马点最值模型

美友441816428
创建于2023-05-03
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什么是费马点问题呢?

    1.若三角形3个内角均小于120°,那么3条距离连线正好三等分费马点所在的周角,即该点所对三角形三边的张角相等,均为120°。所以三角形的费马点也称为三角形的等角中心。

    (托里拆利的解法中对这个点的描述是:对于每一个角都小于120°的三角形ABC的每一条边为底边,向外作正三角形,然后作这三个正三角形的外接圆。托里拆利指出这三个外接圆会有一个共同的交点,而这个交点就是所要求的点。这个点和当时已知的三角形特殊点都不一样。这个点因此也叫做托里拆利点。)

    2.若三角形有一内角大于等于120°,则此钝角的顶点就是距离和最小的点。

01:08

费马点问题如何求解呢?

    法一:

    如右图,在△ABC中,F为其中任意一点。连接AF、CF,得到△ACF。


费马点证明法一

    以点C为旋转中心,将 △ACF顺时针旋转 60°,得到△A'CF'

    ∵旋转角FCF'=60°,且CF=CF'

    ∴△FCF'为等边三角形

    ∴CF=FF'

    ∴AF+BF+CF=BF+FF'+A'F'=折线B-F-F'-A'

    易知当且仅当B、F、F'、A'四点共线时,AF+BF+CF取最小值。

    ∵△FCF'为等边三角形

    ∴∠F'FC=60°

    ∴∠BFC=120°

    同理可证,∠AFB=∠AFC=120°

    ∴F点为满足∠AFB=∠BFC=∠AFC=120° 的点。[2]

    法二:

    如图,以△ABC三边为边向外作等边△ABD、△BCE、△ACF,

    连接CD、BF、AE交于点O,试证:O是费马点。


    证明:在△ACD、△ABF中,

    AD=AB

    ∠DAC=∠BAF

    AC=AF

    ∴△ADC≌△ABF(SAS)

    ∴∠ADC=∠ABF

    ∴A、B、O、D四点共圆。

    ∴∠AOB=120°。

    同理可得,∠AOB=∠AOC=∠BOC=120°。

    过点A、B、C作OA、OB、OC的垂线交于三点R、S、T,易知△RST

    是正三角形。

    在△ABC内作异于O一点G,作RS、ST、RT的垂线GX、GY、GZ,连

    接GA、GB、GC。

    易用面积法得:OA+OB+OC=GX+GY+GZ。

    ∵点到线之间,垂线段最短,

    ∴OA+OB+OC=GX+GY+GZ>GA+GB+GC

    ∴点O是费马点。


    过上述的推导,我们即得出了三角形中费马点的找法:当三角形有一个内角大于或等于120°的时候,费马点就是这个内角的顶点;如果三个内角都在120°以内,那么,费马点就是使得费马点与三角形三顶点的连线两两夹角为120°的点。另一种更为简捷的证明 :设O为三顶点连线最短点,以A为圆心AO为半径做圆P。将圆P视作一面镜子。显然O点应该为B出发的光线经过镜子到C的反射点(如果不是,反射点为O',就会有BO'+ CO' < BO+ CO,而AO'= AO,就会有 AO'+ BO'+ CO' < AO + BO + CO)。

    不失一般性。O点对于B、C为圆心的镜子也成立。因此根据对称性AO、BO、CO之间夹角都是120°

    (补充说明:AO、BO、CO是每个镜子的法线)

    (1)根据定义,首先判断给定三角形的三个内角是否均小于120°.


    1.以任意半径画圆0,并作出圆的一条直径AB。

    2.以点A(或点B)为圆心,OA(或OB)为半径画出圆A(或圆B)

    3.两圆相交于C点,联结AC,BC

    4.则∠CBA或∠CAB为30°,∠C为90°,两角相加即为120°

    (2)若大于等于120°,则该钝角顶点即为该三角形的费马点

    (3)若三角形的三个角均小于120°,则继续做以下步骤


    1.以三角形任意一边a向外做等边三角形

    2.找出该等边三角形的外心,并作出外接圆

    3.连接a边所对的两个顶点(连接AD)

    4.该连线与外接圆交点即为该三角形的费马点

费马

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文章由 美篇工作版 编辑制作
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