一道几何题通解的再探究

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  摘要:本文是对求解一类三角形的一边长的问题的再讨论,主要是通过余弦定理,建立一个根式方程,化简后得到关于未知边长的二次方程并求解之,从而给出一类中考题的新颖的代数解法.同时本文还得到了边长表达式中蕴涵的几何意义.
  关键词:余弦定理;代数解法;几何意义
  
  邹守文基于三道中考题,给出了如下问题的通解. 这个问题是:
  如图1,在△ABC中, 已知∠BAC=α,AD⊥BC于D,BD=a,DC=b,求AD的长.
  结论是:AD=+,其中当α=时,视=cotα=0.
  基于余弦定理,本文给出一种代数解法,以飨读者.
  
  圖1
  解析设AD=x,在△ACD中,由勾股定理得AC==;
  在△ABD中,由勾股定理得AB==;
  在△ABC中,由余弦定理得BC2=AB2+AC2-2AB•ACcos∠BAC,即(a+b)2=(a2+x2)+(x2+b2)-2cosα,
  化简得x2-ab=•cosα,(1)
  两边同时平方并化简得
  (x4+a2b2)(1-cos2α)=[(a2+b2)cos2α+2ab]x2,
  即x4+a2b2=x2,
  配方得(x2-ab)2=x2,
  故x2-(a+b)xcotα-ab=0(舍去负根),
   (2)
  注:若α=,由直角三角形的射影定理知x2-ab=0,(a+b)xcotα=0;若α<,A在以BC为直径的圆外,不妨设AD与圆交于A′,显然AD>A′D,易得x2-ab>A′D2-ab=0,此时(a+b)xcotα>0;若<α<π,类似可得x2-ab<0,此时(a+b)xcotα<0. 综上,(2)中舍去负根.
  对(2),解一元二次方程得x=±,(3)
  因为x=AD>0,所以(3)中舍去负号,
  得x=+•,
  即AD=+.?摇(4)
  证毕.
  对该问题继续探究可得如下证法.
  如图1所示,设△ABC的外接圆心为点O,作OE⊥BC于E,OF⊥AD于F.
  在Rt△AOF中,AF==,其中R为外接圆半径,当AD过O点时,此式仍然成立;
  在Rt△OBE中,∠BOE=∠BOC=∠BAC=α,故FD=OE=Rcosα,此式适用范围是α∈0,.
  在△ABC中,由正弦定理得R=.
  故当α∈0,时,AD=AF+FD=+,其中当α=时,视=cotα=0;
  当α∈,π时,在Rt△OBE中,∠BOE=∠BOC=π-∠BAC=π-α,故FD=OE=Rcos(π-α)=-Rcosα,此时AD=AF-FD=+.
  于是,对于α∈(0,π),恒有AD=+, (5)
  其中当α=时,视=cotα=0.
  易证(4)等价于(5).
  于是得出(4)的几何意义,根式部分即为已知角的顶点到其对边的距离,剩余部分的绝对值等于外接圆圆心到已知角的对边的距离.
  
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