而费尔马曾提出关于三角形的一个有趣问题:在三角形所在平面上,求一点,使该点到三角形三个顶点距离之和最小。即在abc内求一点p,使 pa+pb+pc之值为最小,人们称这个点为“费马点”。
今天我们来探索费马点。首先将三角形分为两种情况:
①当三角形有一个内角大于或等于一百二十度的时候,则费马点就是这个内角的顶点。
下面来验证这个结论: 对三角形内任意一点p,延长ba至c’使得ac=ac’,做∠c’ap’=∠cap,并且使得ap’=ap, pc’=pc,即把三角形apc以a为中心做旋转变换(如图)。
则△apc≌△ap’c’(旋转的不变性)
∵∠bac≥120°(已知)
∴∠pap’=180°-∠bap-∠c’ap’(平角的意义)=180°-∠bap-∠cap(等量代换)=180°-∠bac≤60°
∴等腰三角形pap’中(已知ap’=ap),ap≥pp’(∠pap’<∠ap p’)
∴pa+pb+pc≥pp’+pb+ p’c’>bc’(两边之和大于第三边)=ab+ac(已知ac=ac’)
所以a是费马点。即之前的结论。
下面探讨第二种情况:
②如果三个内角都在120度以内,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度的点。
做△abc内一点p,使得∠apc=∠bpc=∠cpa=120°,分别作pa,pb,pc的垂线,交于d,e,f三点(如图),再作一点p’,不与点p重合,连结p’a,p’b,p’c,过p’作p’h垂直ef于h。
∵∠apb=120°,∴∠pab+∠pba=180°-120°=60°
且∠paf=∠pbf=90°,∴∠f=180°-(90°+90°-60°)
同理可得:∠d=∠e=∠f=60°,即△def为等边三角形,设边长为d,面积为s。
则s= 1/2 d (pa+pb+pc)
∵p’h ≤ p’a
∴ 1/2×d×p’h×2s ≤1/2 ×d ×p’a×2s
又∵1/2×d×p’h=△ep’f ∴ 2s△ep’f≤ d ×p’a×s
同理有:2s△dp’f≤d ×p’b×s , 2s△ep’d≤d ×p’c×s
相加,得:2s(△ep’f+△dp’f+△ep’d)≤ d ×s (p’a+p’b+p’c)
又∵△ep’f+△dp’f+△ep’d=△edf
2s×s ≤ d ×s (p’a+p’b+p’c) 两边同除以s,得:2s ≤ d (p’a+p’b+p’c)
把s= 1/2 ×d (pa+pb+pc)代入上式可得:
pa+pb+pc≤p’a+p’b+p’c,当且仅当p,p’重合时取到等号。
所以p是费马点,即与上述结论相符合。
经过上述的推导,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一百二十度的时候,费马点就是这个内角的顶点;如果三个内角都在120度以内,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度的点。
初二㈢班 林贤昊
费马(pierre de fermat,1601—1665)是法国数学家、物 理学 家。费马一生从未受过专门的数学 教育 ,数学研究也不过是业余之爱好。然而,在17世纪的法国还找不到哪位数学家可以与之匹敌。他是解析几何的发明者之一;概率论的主要创始人;以及独承17世纪数论天地的人。一代数学大师费马堪称是17世纪法国最伟大的数学家。尤其他提出的费马大定理更是困惑了世间智者358年。