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1、向量和三角形的五心一、前言： 在本校自然资优班的一次数学课堂中，笔者讲到以下的性质：在中，若点为的重心，则，其中点为任一点。 下课后，有位许同学便到办公室提出以下的问题：（1）在中，点为的重心，可得到的结果；那么反过来， 若有一点，满足，是否保证点为的重心呢？（2）在中，另外的四心，即内心、垂心、外心、傍心，是否也有类似充要条件的性质呢？ 当时笔者告诉许同学，重心、内心、傍心有类似性质，其中重心的性质是充要条件没错；至于内心、傍心的性质是否为充要，还须再证明看看；而垂心、外心的向量充要性质老师还没看过，容老师再思考一些时间。 接到许同学的问题后，笔者便与刘国莉老师一起讨论，经过仔细探讨之后，我
2、们得到以下的结果：1. 重心向量性质的充要条件与证明。2. 内心向量性质的充要条件与证明。3. 傍心向量性质的充要条件与证明。4. 外心向量性质的充要条件与证明。5. 垂心向量性质的充要条件与证明。二、重心的向量性质： 我们将三角形重心与向量性质的充要条件写成定理1如下：定理1：如图（一），在中，则点为的重心的充要条件为（其中点为任一点）图（一）证明：设点为的重心，延长交于点，则，。因此，。 设点为任一点， 。 另一方面，已知，其中点为任一点，令代入得。延长交于点，设，共线，得。因此，故为边上的中线。同理可证：延长交于点，则为边上的中线，故点为的重心。三、内心的向量性质： 我们先证明三角形的内
3、分比性质的充要条件，再进一步证明三角形内心与向量性质的充要条件，分别写成性质1及定理2如下：性质1：图（二）如图（二），在中，点为上的一点，则为的角平分线的充要条件为证明：证明省略。图（三）如图（三），设中，因，设，为正数。作交的延长线于点，则。可知，又，得为的角平分线。定理2：如图（四），在中，点为任一点，则点为的内心的充要条件为图（四）证明：已知点为的内心，延长交于点，则， 。因此， 。 设点为任一点， 。已知，其中点为任一点，可取点等于点代入，得。 延长交于点，设 ，因共线。，由性质1可知：为的角平分线。同理，可证为的角平分线，因此点为的内心。四、傍心的向量性质： 我们先证明三角形的外分
4、比性质的充要条件，再进一步证明三角形傍心与向量性质的充要条件，分别写成性质2及定理3如下：性质2：图（五）如图（五），在中，则为的外角平分线（点在的延长线上）的充要条件为。证明：已知为的外角平分线，作平行交于点；又平行，即得。由平行可得。已知，作交于点， 。，。因此为的外角平分线。定理3：如图（六），在中，点为任一点，则（1）点为所对之傍心的充要条件为。（2）点为所对之傍心的充要条件为图（六）（3）点为所对之傍心的充要条件为证明：只证明（1），而（2）与（3）同理，故省略。如图（六），点为，所对之傍心。过点作平行分别交、的延长线于、。由性质1，可设，又且，由。所以 。 设为任一点， 。已知，令
5、点为点代入，得。 设交于点，可设，因共线 。，由性质1知：为的内角平分线。另一方面，令点为点代入，得，。又为的内角平分线；因此，。，由性质2可知：为的外角平分线。同理可证：为的外角平分线。故为中所对之傍心。五、外心的向量性质： 我们将三角形外心与向量性质的充要条件写成定理4如下：定理4：如图（七），在中，点为任一图（七）点，则点为的外心的充要条件为，（其中表的面积）证明：如图（七），已知点为的外心，。设于点，于点，则。同理，。 设 -（），由方程组（）可得。由海龙公式，其中，可知。由方程组（）可得，。所以 。 设平面上任一点， 。已得到，利用面积公式，及余弦定理、代入上式，即可得。图（八）已知
6、，点为平面上任一点，令点为点代入，得。如图（八），设点为中点，。因此。所以，直线为的中垂线。同理可证为的中垂线。故点为的外心。六、垂心的向量性质： 我们将三角形垂心与向量性质的充要条件写成定理5如下：定理5：如图（九），在中，点为任一点，则点为的垂心的充要条件为（其中表的面积）图（九）证明：如图（九），中，。于点，于点，点为的垂心。则 ，；因此， 。 设 -（）。由方程组（）可得。，。设平面上任一点， 接者，将面积公式，及余弦定理、代入，即可得。 如图（九），已知，点为任一点。令点为点代入，得。因此，直线垂直。同理可证，直线垂直，故点为的垂心。七、结论： 我们在本文的探讨研究中，发现学生有时会
7、提出看似平凡而却容易被遗漏的问题，而这些问题在被提出后，往往是令人觉得深思的问题。平常在教学过程中，看到三角形的重心，便自然想到向量的性质的口诀，甚至很少特别提出这是三角形重心的充要条件；内心、傍心亦复如是。匆匆岁月，经过学生提问，才激励我们将三角形五心与向量性质的充要条件，作进一步的整理，并完成五心与向量性质充要条件的证明，实在是感恩学生的提问与智慧。 从探讨中我们深深感到教学相长的真实，学生的提问有时会激发老师另层的深入思考，难怪古人说：有天才学生，没有天才老师。因此，在此提出，千万不可忽视学生的任何一个问题，好好去思考，一方面可为学生解决问题；另方面，可以深入自己的思考视野。虽然内心、傍心、外心、垂心的向量性质的充要条件很烦杂；但可以不必背，而可以纯欣赏即可。可见数学是千变万化，实在美不可言喻。
