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中点,特别是线段的中点是几何图形中的一个特殊点,直角三角形斜边中线、等腰三角形三线合一、中心对称图形、三角形中位线和梯形中位线等都有其身影。那么,如何恰当地利用中点和处理与中点有关的问题呢?关键在于:充分挖掘中点所包含的信息,合理联想构造含中点的图形来解决问题。
一、利用中点构造三角形中线
例1 如图1,在△ABC中,AB=AC,∠BAC=90°,BD是中线,AE⊥BD交BC于点E。求证:
BE=2EC。
(2004,河北省初中数学创新与知识应用竞赛)
图1
图2
【注】如果是等腰三角形的问题,则腰上的中点即为构造全等三角形创造了条件。三角形中线的性质是分三角形为两个面积相等的小三角形。在涉及求面积时,往往是常用的结论之一。
二、利用中点构造中心对称三角形
例3 如图3,在梯形ABCD中,∠D=90°,M是AB的中点。若CM=6.5,BC+CD+DA=17,则梯形ABCD的面积为()。
A.20B.30
C.40D.50
(2007,山东省初中数学竞赛)
图3
解 如图3,延长CM交DA的延长线于点E。则
△BCM≌△AEM。
故CE=2CM=13,AE=BC。
设梯形ABCD的面积为S。则
由CE=13得
例4 如图4,在菱形ABCD中,∠ABC=120°,F是DC的中点,AF的延长线交BC的延长线于点E。则直线BF与DE所夹的锐角的度数为()。
图4
(A)30°(B)40°(C)50°(D)60°
(2008,全国初中数学联赛武汉CASIO杯选拔赛)
解 如图4,设BF交DE于点M,连接BD。则△BCD为等边三角形。
由F为CD的中点知∠MBC=30°。
又AD∥CE,则△ADF与△ECF关于点F成中心对称。所以,CE=AD=CD。
故∠CEM=30°,∠DMF=60°。
【注】在四边形问题中,若已知条件中有一边的中点,往往可利用中点构造中心对称的全等三角形,从而把分散的条件相对集中,为解题创造有利条件。
三、利用中点构造三角形中位线
图5
(第12届华罗庚金杯少年数学邀请赛决赛(初二))
解 如图5,作BF∥DE交AC于点F,作∠ACB的平分线交AB于点G,交BF于点H。则。
∠CHF=90°=∠CHB。
又∠FCH=∠BCH,则CF=CB-4,即
AF=AC-CF=7-4=3。
易知AE=EF=1.5。
所以,CE=5.5。
【注】在三角形问题中,若已知条件中出现一边的中点,往往可利用中点构造三角形的中位线,再利用三角形的中位线定理来解决问题。三角形的中位线在证明线段的倍分、两直线的位置关系及线段的长度计算等方面有着广泛的应用。
例6 如图6,在四边形ABCD中,E、F分别是AB、CD的中点,P为对角线AC延长线上的任意一点,PF与AD、PE与BC分别交于点M、N,EF与MN交于点K。求证:K是线段MN的中点。
图6
(2008,全国初中数学联赛(江西卷))
证明 如图6,在PF上取点G,使得GF=FM,连接GC、GN。则CG∥DM。
设CA的中点为L,连接LE、LF。则LE、LF分别为△ABC、△ACD的中位线,有
从而,FK是△MNG的中位线,即K是MN的中点。
【注】在四边形问题中,当已知条件中出现四边形对边的两个中点时,常见的方法是:另外作对角线的中点,再利用三角形的中位线来解题。
四、利用中点构造直角三角形斜边中线和三角形中位线
例7 如图7,在△ABC中,AB=AC,AD⊥BC,垂足为D,E、G分别是AD、AC的中点,DF⊥BE,垂足为F。求证:FG=DG。
图7
(2006,全国初中数学联赛武汉CASIO杯选拔赛)
证明 注意到DG是Rt△ADC斜边上的中线,于是,要证FG=DG,只需FG是直角三角形斜边上的中线,故从证明AAFC是直角三角形入手。
连接AF、CF。
【注】在直角三角形的问题中,常常是取直角三角形斜边的中点构造直角三角形斜边的中线,再利用其性质解题。
例8 如图8,在△ABC内取一点P,使∠PBA=∠PCA。作PD⊥AB于点D,PE⊥AC于点E。求证:DE的垂直平分线必经过BC的中点M。
图8
(2006,全国高中数学联赛四川省初赛)
证明 如图8,设L、N分别是PB、PC的中点。连接MD、ME、ML、MN、DL、EN。则
故BC的中点M在DE的垂直平分线上。
【注】当题目的条件中涉及三角形一边的中点和直角三角形时,常用的方法是:另取一边(一般取斜边)的中点,为沟通直角三角形斜边中线定理和三角形中位线定理架起一座桥梁。
五、利用中点构造梯形中位线
例9 已知AB为半圆⊙O的直径,P为直径AB上的任意一点。以点A为圆心、AP为半径作⊙A,⊙A与半圆⊙O交于点C;以点B为圆心、BP为半径作⊙B,⊙B与半圆⊙O交于点D,且线段CD的中点为M。求证:MP分别与⊙A、⊙B相切。
(2007,数学周报杯全国初中数学竞赛)
证明 如图9,连接AC、AD、BC、BD,分别过点C、D作AB的垂线,垂足分别为E、F。
图9
图10
例10 如图10,M、N分别是四边形ABCD边AB、CD的中点,BN与MC交于点P,AN与MD交于点Q。求证:
【注】例9利用M是中点构造梯形中位线,再利用中位线的性质解题;例10是利用梯形中位线定理中的数量关系来解题。
六、利用多个中点构造三角形和四边形
例11 如图11,在任意五边形ABCDE中,M、N、P、Q分别为AB、CD、BC、DE的中点,K、L分别为MN、PQ的中点。求证:
证明 如图11,连接BE,取其中点R,连接MR。则。联结RN。则P、N、Q、R分别为四边形BCDE各边的中点。故四边形PNQR为平行四边形,RN、PQ互相平分。
图11
因为L为PQ的中点,所以,L为RN的中点。
在△MNR中,因为K、L分别为MN、RN的中点,
图12
【注】通过连线,将多边形分割成三角形、四边形,为多个中点的利用创造了条件。
练习题
1.如下页图13,在△ABC中,D、E分别为边BC、AC的中点,AD与BE交于点P。若∠BPD=∠C,求证:以△ABC三条中线为边构成的三角形与△ABC相似。
(2004,全国初中数学联赛武汉CASIO杯选拔赛)
图13
提示:延长PD至点F,使PD=DF。连接BF、FC、PC、DE。则四边形BFCP为平行四边形。
由∠BPD=∠C,知P、D、C、E四点共圆。
故∠PCF=∠CPE=∠CDE=∠ABC。
又∠PFC=∠ACB,则△PCF∽△ABC。
注意到△PCF各边均为△ABC中线长的,即得证。
2.如图14,已知AD为△ABC的角平分线,AB<AC,在AC上截取CE=AB,M、N分别为边BC、AE的中点。求证:
MN∥AD。
图14
(2007,太原市初中数学竞赛)
提示:连接BE,取BE的中点F,连接FN、FM。易知
3.如图15,BD、CE是△ABC的两条高,F、G分别是边DE、BC的中点,O是△ABC的外心。求证:
AO∥FG。
图15
(2005,全国高中数学联赛四川省初赛)
提示:如图15,延长OA交DE于点H,连接OB、GD、GE。易知B、C、E、D四点共圆。
又易得∠EAH+∠DEB=90°。
则AH⊥DE,即OA⊥DE。故AO∥FG。
4.如图16,在菱形ABCD中,∠A=100°,M、N分别是边AB、BC的中点,MP⊥CD于点P,则∠NPC的度数为__。
图16
(2007,山东省初中数学竞赛)
提示:易知∠B=80°。
注意到BM=BN。则
∠BMN=∠BNM=50°。
设MP的中点为E,连接NE。易知NM=NP。则∠NMP=∠NPM。故
∠NPC=∠NMB=50°。
5.如图17,在△ABC中,D为边BC的中点,点E、F分别在边AC、AB上,且∠ABE=∠ACF,BE与CF交于点O。过O作OP⊥AC,OQ⊥AB,P、Q为垂足。求证:
DP=DQ。
图17
(2008,江苏省初中数学竞赛)
提示:仿例8。