怎样证明四点共圆,四点共圆的推导过程

关于四点共圆的判定,通用教材《几何》第二册中曾介绍过两种行之有效的常用方法。方法1:如果一个四边形的一组对角互补,那么这个四边形内接于圆。简记为:“对角互补,四点共圆”。方法2:如果两个三角形有一条公

关于四点共圆的判定,通用教材《几何》第二册中曾介绍过两种行之有效的常用方法。

方法1:如果一个四边形的一组对角互补,那么这个四边形内接于圆。简记为:“对角互补,四点共圆”。

方法2:如果两个三角形有一条公共边,这条边所对应的角相等,四点共圆的推导过程,并且在公共边的同侧,那么这两个三角形有公共的外接圆,简记为:“同旁二等角,四点必共圆”。

但是书中分析道,两种情况的直接证明比较困难,所以给出的都是间接证明,即反证法。

图1

分析:作△ABD的外接圆⊙O,则∠AOB=2∠D=2∠C。命题就可以转化为如图2,OA=OB,∠AOB=2∠C,若能证明CO=BO,根据圆的定义,即点C在⊙O上,命题得证。

图2

解法1:

过点O作OE⊥AB,过点B作BD⊥AC。

因为OA=OB。

所以∠BOC=∠AOB/2=∠ACB。

且点E为AB中点,所以DE=BE。

所以△CDB ∽△OEB。

所以CB:OB=BD:BE。

又∠CBD+∠OBD=∠OBE+∠OBD。

即∠CBO=∠DBE。

所以△CBO ∽△DBE。

因为EB=ED。

方法1 把被证共圆的四个点连成共底边的两个三角形,且两三角形都在这底边的同侧,若能证明其顶角相等,从而即可肯定这四点共圆.(可以说成:若线段同侧二点到线段两端点连线夹角相等,那么这二点和线段二端点四点共。

所以OC=OB,则命题得证。

图3

解法2:

如图3,过点B作BD⊥AB交AO的延长线于点D,连接CD。

记AD与BC交于点E。

不难得到,∠BDA=∠AOB/2=∠ACB。

又∠AEC=∠BED。

所以△ACE ∽△BDE。

所以CE:DE=AE:BE。

又∠CED=∠AEB。

所以△CED ∽△AEB。

所以∠CDE=∠ABE。

所以∠CDE+∠CAD=∠ABE+∠DBE=90°。

即∠ACD=90°。

所以CO=AO,则命题得证。

思路二:除了将∠AOB“一分为二”,也可以将∠ACB“加倍”,根据图形特征,可以将三角形进行翻折。

图4

解法3:

如图4,分别作点O关于AC、BC的对称点点D、E。

则∠DCE=2∠ACB=∠AOB=2q。

因为△CDE和△OAB均为等腰三角形。

所以△CDE ∽△OAB。

又DA=OA=OB=EB。

∠DAB+∠EBA=(∠DAC+∠EBC)+(∠CAB+∠CBA)=q+180°-q=180°

所以AD//BE。

所以四边形ABCD为平行四边形。

所以AB=DE。

1、对角互补法:若平面上四点连成四边形的对角互补或一个外角等于其内对角,那么这四点共圆;特殊情形——若一个四边形有两个对角都为90,那么该四边形四个顶点共圆;2、同侧共底边三角形顶角相等法:若线段同侧二点到。

所以△CDE ≌△OAB。

所以CO=CD=OA,则命题得证。

图5

解法4:

如图5,作点A关于BC的对称点D。

则∠ACD=2∠ACB=∠AOB。

又AC:AO=DC:BO。

所以△ACD ∽△AOB。

所以AC:AD=AO:AB。

所以△CAD ∽△OAB。

即∠CAO=∠DAB。

所以△AOC ∽△ABD。

怎样证明四点共圆

因为AB=BD。

所以AO=CO。则命题得证。

思路三:核心条件还有OA=OB,遇等腰则旋转,可使分散的条件相对集中,以解决问题。

图6

解法5:

如图6,将△BOC绕着点O逆时针旋转∠AOB度数。

则易得△COD ∽△BOA。

不妨设∠AOB=2q。

则∠ACB=q。

所以∠OAC+∠OAD=∠OAC+∠OBC=q。

即∠CAD=∠ACB。

又AD=BC。

所以△CAD ≌△ACB。

所以CD=AB。

所以△OCD ≌△OBA。

即OC=OB。则命题得证。

定理2:如图7,如果一个四边形ACBD中,∠C+∠D=180°,那么这个四边形内接于圆。

图7

分析:连接AB,作△ABD的外接圆⊙O,则∠AOB=2∠D=2(180°-∠C)。命题就可以转化为如图7,OA=OB,∠AOB/2+∠C=180°,若能证明CO=BO,根据圆的定义,即点C在⊙O上,命题得证。思路形成同前文,得到以下五种证明方法。

图8

解法1:

如图8,过点O作OE⊥AB,过点B作BD⊥AC。

因为OA=OB。

所以∠BOE=∠AOB/2=180°-∠ACB=∠BCD。

且点E为AB中点。

所以DE=BE。

所以△CDB∽△OEB。

所以CB:OB=BD:BE。

又∠CBD+∠EBC=∠OBE+∠EBC。

证明四点共圆的方法如下:1、对角互补的四边形,四点共圆。2、外角等于内对角的四边形,四点共圆。3、同底同侧的顶角相等的两个三角形,四点共圆。4、到定点的距离等于定长的四个点,四点共圆。

即∠EBD=∠OBC。

所以△EBD∽△OBC。

因为EB=ED。

所以OC=OB,则命题得证。

图9

解法2:

如图9,过点B作BD⊥AB交AO的延长线于点D,连接CD。

记AC与DB的延长线交于点E。

不难得到,∠BDA=∠AOB/2=∠ECB。

又∠E=∠E。

所以△BCE∽△ADE。

所以CE:BE=DE:AE。

所以△CED ∽△BEA。

所以∠ECD=∠EBA=90°。

即∠ACD=90°。

所以CO=AO,则命题得证。

图10

解法3:

如图10,分别作点O关于AC、BC的对称点D、E。

则∠DCE=360°-2(180°-q)=2q=∠AOB。

方法1 从被证共圆的四点中先选出三点作一圆,然后证另一点也在这个圆上,若能证明这一点,即可肯定这四点共圆.方法2 把被证共圆的四个点连成共底边的两个三角形,且两三角形都在这底边的同侧,若能证明其顶角相等。

因为△CDE和△OAB均为等腰三角形。

所以△CDE∽△OAB。

又DA=OA=OB=EB。

∠DAB+∠EBA=(∠DAC+∠EBC)+(∠CAB+∠CBA)=180°-q+180°-(180°-q)=180°。

所以AD//BE。

所以四边形ABED为平行四边形。

所以AB=DE。

所以△CDE≌△OAB。

所以CO=CD=OA,则命题得证。

图11

解法4:

如图11,作点A关于BC的对称点D。

则∠ACD=360°-2∠ACB=∠AOB。

又AC:AO=DC:BO。

所以△ACD∽△AOB。

所以AC:AD=AO:AB。

且∠CAD=∠OAB。

即∠CAO=∠DAB。

所以△AOC∽△ABD。

因为AB=BD。

所以AO=CO,则命题得证。

图12

解法5:

如图12,将△BOC绕着点O逆时针旋转∠AOB度数。

则易得△COD∽△BOA。

不妨设∠AOB=2q。

则∠ACB=180°-q。

所以∠OAC+∠OAD=∠OAC+∠OBC=180°-q。

即∠CAD=∠ACB。

又AD=BC。

所以△CAD≌△ACB。

所以CD=AB。

所以△OCD≌△OBA。

即OC=OB,则命题得证。

虽然“对角互补,四点共圆”和“同旁二等角,四点必共圆”是两个不同的定理,但它们有脉络上的关联,相互依存,由此及彼。文中提及的五种思路也都可以将两种情况直接证明,体现了两个命题及图形的共性和逻辑的一致性,五种方法都回归到了圆的集合性定义,在同一平面内,到定点的距离等于定长的点的集合。在定义的引领下,关注角之间的度量关系,构建初等几何方法,利用相似性,轴对称、旋转全等,平行四边形等性质和应用,实现对“线段转化”这一难点突破,使得四点共圆的直接证明也并不困难。

本文部分字句引自期刊论文,有改动。

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