1705

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

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

  1. 证明 由题意 cos⁡C=35>0 (以及 sin⁡C=45), 所以 a2+b2−c2=a2+(b−c)(b+c)=a2(1−b−c)>0, 也即 b+c<1. 所以 a+b+c<(b+c)+b+c<2.
  2. 解 一方面我们有面积关系 (1)12(a+b+c)r=12absin⁡C⇒r=absin⁡Ca+b+c. 另一方面根据余弦定理 (2)1+cos⁡C=1+a2+b2−c22ab=(a+b)2−c22ab=(a+b+c)(a+b−c)2ab, 两式消去 a+b+c, 有 r=sin⁡C(a+b−c)2(1+cos⁡C)=a−a24=116−14(a−12)2.
    下面来确定 a 的范围. 必要性方面 a2=c−b<a⇒a<1; 充分性方面联立 (3){c=b+a2,c2=a2+b2−2abcos⁡C,⇒b=a−a32(a+cos⁡C). 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. 解 在 (3) 中代入 a=15 得 b=325, 这样 c=425, 于是 ΔABC 是以 A 为直角的直角三角形. 由 (1) 得 r=125. 记内心为 I. 则 ∑cycPA2=∑cyc(PI→+IA→)2=3PI2+∑cycIA2+2PI→⋅∑cycIA→.(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+(425−125)2+(325−125)2+1252=17625,|∑cycIA→|=|(325−325,425−325)|=125, 于是代入 (4) 得 ∑cycPA2≤22625.

3 的另解

延续我们设的坐标, 设 P(125+125cos⁡θ,125+125sin⁡θ), 则PA2+PB2+PC2=(125+125cos⁡θ)2+(125+125sin⁡θ)2+(125+125cos⁡θ)2+(125+125sin⁡θ−425)2+(125+125cos⁡θ−325)2+(125+125sin⁡θ)2=20+2sin⁡θ625≤22625.