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在直角三角形 ABC 中, AC=2,BC=1, D 为斜边 AB 上一点, 若 ΔACD 与 ΔBCD 的内切圆面积相等, 则 BD= _____.
设 ΔABC 的内心为 I, 内切圆切 AB 于 E, 内切圆半径为 r. 再设 ΔACD,ΔBCD 的内心为 I1,I2, 两个内切圆分别切 AB 于 E1, E2, 内切圆半径均为 r′. 设 k=r′r. 首先容易求出[1], AE=5+12, BE=5−12, r=3−52.
类似[1:1] 可得到 AE1=AD+AC−CD2,BE2=BD+BC−CD2, 所以 E1E2 中点到 A 的距离是 AE1+E1E22=AE1+AB−AE1−BE22=2AD+AC+AB−BC4, 且 DE 中点到 A 的距离是 AD+AE2=AD2+AB+AC−BC4=2AD+AC+AB−BC4, 这说明 DE, E1E2 的中点重合. 然后因为 I1E1E2I2 是矩形, 所以引理得证.
下面我们正式开始计算. 根据上面的引理, 同理DE2=EE1=AE−AE1=(1−k)AE,同理DE1=(1−k)BE. 又因为 ∠I1DI2=∠ADC+∠BDC2=90∘, 所以 ΔI1E1D, ΔDE2I2 相似. 这样 (r′)2=DE1DE2=(1−k)2AE⋅BE=(1−k)2, 也即 kr=1−k, 推出 k=1r+1=5+510. 从而 BD=BE2+E2D=kBE+(1−k)AE=5+510⋅5−12+5−510⋅5+12=255.
设两个内切圆半径为 r. 则因为 SΔACD=12(AC+CD+AD)r,SΔBCD=12(BC+CD+BD)r, 所以 SΔACDSΔBCD=ADBD=AC+CD+ADBC+CD+BD=AC+CDBC+CD, (最后一步用了合分比定律), 于是 CD=2BD−ADAD−BD. 设 BD→=λBA→, 则 BD=5λ, AD=5(1−λ), 于是 (1)CD=3λ−11−2λ.. 又由 CD→=λCA→+(1−λ)CB→, 于是 (2)CD2=4λ2+(1−λ)2. 联立 (1), (2), 得(3λ−11−2λ)2=4λ2+(1−λ)2⇒20λ4−28λ3+8λ2=4λ2(λ−1)(5λ−2)=0.解得 λ=25 (舍去 0 和 1), 于是 BD=255.
不妨设 AE=x, BE=y, 则 2=x+r, 1=y+r, x+y=5, 由此求解. ↩︎ ↩︎