背景:費馬問題(Fermat problem)是著名的幾何極值問題。
當三角形的三個角均小于120°時,所求的點為三角形的正等角中心。
即:當∠BAC、∠ABC和∠ACB均小于120°時,分別以△ABC的三邊為邊長,向外作等邊三角形,連接AA'、BB'、CC',三線交于一點P。則PA+PB+PC的長度最小,且∠APB=∠BPC=∠CPA=120°,點P稱為費馬點。
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幾何畫板演示
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簡要證明
點P為△ABC內(nèi)任意一點,將△PAB繞點B逆時針旋轉(zhuǎn)60°,得到△GC'B,則C'G=PA。易證△ABC'、△BPG為等邊三角形,則GP=PB。即:C'G+GP+PC=PA+PB+PC。
當C'、G、P、C四點共線時,PA+PB+PC取得最小值(等于CC'的長度),且∠BGC'和∠BPC都等于120°,易證∠APB=∠BPC=∠CPA=120°。因為C、C'為定點,所以費馬點位于CC'上,同理可證費馬點也位于AA'、BB'上。
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實戰(zhàn)演練1
以AB為邊長向外作等邊三角形ABC',連接CC',則BC'=AB=3km。CC'的長度即為輸水管總長度的最小值。易證三角形CBC'為直角三角形,根據(jù)勾股定理即可求得CC'=5km。
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實戰(zhàn)演練2
以AB為邊長向外作等邊三角形ABC',連接CC',則BC'=AB=4。CC'的長度即為AP+BP+CP的最小值。作C'D垂直于CB交CB的延長線于點D。易證三角形C'DB為含30°的直角三角形,在直角三角形C'DC中,根據(jù)勾股定理即可求得CC'的長?!敬饲蠓ㄔ谟嬎惴矫骐y度較大,同學(xué)們可嘗試以AC為邊長向外作等邊三角形來解決問題】
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沙場練兵
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