三角形外接圆与平行四边形证明

三角形外接圆与平行四边形证明

初中数学专题 | 适合初中各年级学生

题目展示

如图,已知O是△ABC的外接圆,AB = AC。点D,E分别是BC,AC的中点,连接DE并延长至点F,使DE = EF,连接AF。(1) 求证:四边形ABDF是平行四边形;(2) 求证:AF与⊙O相切;(3) 若tan∠BAC = 3/4,BC = 12,求⊙O的半径。

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理解题意

题目分析

已知条件:O是△ABC的外接圆,AB = AC(等腰三角形),D、E分别是BC、AC的中点,DE = EF。要求:(1) 证明四边形ABDF是平行四边形;(2) 证明AF与⊙O相切;(3) 在tan∠BAC = 3/4,BC = 12的条件下,求⊙O的半径。隐含条件:等腰三角形的性质、中点连线性质、平行四边形的判定、切线的判定、三角函数的应用。

解题思路详解

方法1:方法一(综合几何法)

1. (1) 证明四边形ABDF是平行四边形:
– 因为D、E分别是BC、AC的中点,所以DE是△ABC的中位线。
– 根据中位线定理,DE ∥ AB,且DE = 1/2 AB。
– 又因为DE = EF,所以DF = 2DE = AB。
– 由于DE ∥ AB,且DF = AB,所以四边形ABDF是平行四边形(一组对边平行且相等)。

中位线定理告诉我们,连接三角形两边中点的线段平行于第三边且等于第三边的一半。利用这个性质,我们可以证明DE ∥ AB且DE = 1/2 AB。再结合DE = EF,可以推出DF = AB。最后,根据平行四边形的判定条件,一组对边平行且相等,即可证明四边形ABDF是平行四边形。

2. (2) 证明AF与⊙O相切:
– 连接AO并延长交BC于点G,因为AB = AC,所以AO是BC的垂直平分线(等腰三角形三线合一)。
– 因为四边形ABDF是平行四边形,所以AF ∥ BD。
– 由于BD ⊥ AG(AO是BC的垂直平分线),所以AF ⊥ AG。
– 又因为AG是⊙O的半径,且AF ⊥ AG,所以AF与⊙O相切(切线判定定理)。

首先,利用等腰三角形的性质,我们知道AO是BC的垂直平分线。然后,由于四边形ABDF是平行四边形,所以AF ∥ BD。结合BD ⊥ AG,我们可以推出AF ⊥ AG。最后,根据切线的判定定理,如果一条直线垂直于圆的半径并且经过半径的外端点,那么这条直线就是圆的切线。

3. (3) 求⊙O的半径:
– 设AO = x,则OG = √(x² – 6²)(利用勾股定理,因为BG = 1/2 BC = 6)。
– 又因为tan∠BAC = 3/4 = OG / AG = OG / (x + √(x² – 6²))(利用三角函数定义)。
– 解这个方程,我们可以得到x = 25/8(负值舍去,因为半径不能为负)。
– 所以,⊙O的半径为25/8。

**另一种解法**:
– 过A作AH⊥BC于H,则H为BC中点,BH=6。
– 在直角三角形ABH中,tan∠BAH = BH / AH = 3/4,所以AH = 8(利用三角函数定义)。
– 设⊙O半径为r,则OH = 8 – r(因为AO = r,AH = 8)。
– 在直角三角形OBH中,利用勾股定理:r² = 6² + (8 – r)²。
– 解这个方程,我们同样可以得到r = 25/8。

在第一种解法中,我们首先设AO为x,然后利用勾股定理表示出OG。接着,我们利用三角函数的定义建立方程,并解出x的值,即⊙O的半径。在第二种解法中,我们通过作辅助线AH,并利用三角函数的定义求出AH的长度。然后,我们设⊙O的半径为r,并利用勾股定理在直角三角形OBH中建立方程,解出r的值。

(1) 证明见上述步骤;(2) 证明见上述步骤;(3) ⊙O的半径为25/8。

出题人的思路分析

为什么这么出题?

这道题目综合考查了等腰三角形的性质、中位线定理、平行四边形的判定、切线的判定以及三角函数的应用。出题人通过这道题目,旨在考查学生对这些知识点的掌握和运用能力。同时,这道题目也具有一定的综合性,需要学生将多个知识点结合起来进行解答。易错点在于对中位线定理和平行四边形判定的理解,以及在利用三角函数建立方程时的计算错误。

知识点总结

1

等腰三角形的性质

等腰三角形是两边相等的三角形,它具有三线合一的性质,即顶角的平分线、底边上的中线、底边上的高相互重合。

2

中位线定理

三角形的中位线是连接三角形两边中点的线段,它平行于第三边且等于第三边的一半。

3

平行四边形的判定

平行四边形是两组对边分别平行的四边形。其中一组对边平行且相等的四边形也是平行四边形。

4

切线的判定

如果一条直线垂直于圆的半径并且经过半径的外端点,那么这条直线就是圆的切线。

5

三角函数的应用

三角函数是描述三角形边长和角度之间关系的函数,它们在几何和物理中有广泛的应用。在这道题目中,我们利用了正切函数来建立方程。

举一反三练习

练习1:已知等腰三角形ABC中,AB = AC,AD是BC边上的高,E是AC的中点,连接DE。求证:DE ∥ AB。
答案:因为AB = AC,AD是BC边上的高,所以AD是BC的垂直平分线(等腰三角形三线合一)。又因为E是AC的中点,所以DE是△ABC的中位线(三角形中位线定义)。根据中位线定理,DE ∥ AB。
练习2:已知⊙O的半径为5,弦AB = 8,求圆心O到弦AB的距离。
答案:过O作OC⊥AB于C,则C为AB中点,AC = 1/2 AB = 4。在直角三角形AOC中,利用勾股定理:OC = √(OA² – AC²) = √(5² – 4²) = 3。所以,圆心O到弦AB的距离为3。
练习3:已知在△ABC中,∠C = 90°,tanA = 3/4,BC = 6,求AB的长度。
答案:在直角三角形ABC中,因为tanA = BC / AC = 3/4,且BC = 6,所以AC = 8(利用三角函数定义)。然后,利用勾股定理:AB = √(AC² + BC²) = √(8² + 6²) = 10。所以,AB的长度为10。

常见误区提醒

易错点:在证明四边形ABDF是平行四边形时,容易忽略中位线定理的应用,直接尝试通过其他复杂的方法进行证明。
易错点:在证明AF与⊙O相切时,容易忽略等腰三角形三线合一的性质,导致无法正确找到垂直关系。
易错点:在利用三角函数建立方程时,容易在计算过程中出错,特别是涉及到根号和分数的运算时。

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