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ΔABC 中角 A,B,C 的对边分别为 a,b,c , 满足 a2+b=c , tanC=43 .

  1. 证明: a+b+c<2 ;
  2. ΔABC 的内切圆半径 r 的取值范围;
  3. a=15 , ΔABC 的内切圆上有一点 P, 求点 PA,B,C 三点的距离的平方和的最大值.
解答

  1. 证明 由题意 cosC=35>0 (以及 sinC=45), 所以 a2+b2c2=a2+(bc)(b+c)=a2(1bc)>0, 也即 b+c<1. 所以 a+b+c<(b+c)+b+c<2.
  2. 一方面我们有面积关系 (1)12(a+b+c)r=12absinCr=absinCa+b+c. 另一方面根据余弦定理 (2)1+cosC=1+a2+b2c22ab=(a+b)2c22ab=(a+b+c)(a+bc)2ab, 两式消去 a+b+c, 有 r=sinC(a+bc)2(1+cosC)=aa24=11614(a12)2.
    下面来确定 a 的范围. 必要性方面 a2=cb<aa<1; 充分性方面联立 (3){c=b+a2,c2=a2+b22abcosC,b=aa32(a+cosC). 这说明每一个 a(0,1) 都可以得到一个正值 b (从而 c 也是正值), 且满足三角形边长要求. 所以 r(0,116].
  3. (3) 中代入 a=15b=325, 这样 c=425, 于是 ΔABC 是以 A 为直角的直角三角形. 由 (1)r=125. 记内心为 I. 则 cycPA2=cyc(PI+IA)2=3PI2+cycIA2+2PIcycIA.(4)3625+cycIA2+225|cycIA|.
    我们以 A 为原点建系, 设 B(0,425), C(325,0). 则 I(125,125), 于是 cycIA2=(1252+1252)+1252+(425125)2+(325125)2+1252=17625,|cycIA|=|(325325,425325)|=125, 于是代入 (4)cycPA222625.

3 的另解

延续我们设的坐标, 设 P(125+125cosθ,125+125sinθ), 则PA2+PB2+PC2=(125+125cosθ)2+(125+125sinθ)2+(125+125cosθ)2+(125+125sinθ425)2+(125+125cosθ325)2+(125+125sinθ)2=20+2sinθ62522625.