拿破仑定理(英文名:Napoleon's theorem)是
法国著名的军事家
拿破仑·波拿巴提出的一个几何定理,即以任意三角形的三条边为边,向外构造三个
等边三角形,则这三个等边三角形的
外接圆中心恰为另一个等边三角形的顶点,该等边三角形称为拿破仑三角形。
拿破仑
定理可推理相关定理,如任意凸
四边形各边向外作正方形,则上下左右两对正方形中心的连线必垂直并
相等。任意凸
六边形各边向外作正三角形,则三对连接对面正三角形中心的连线
相交构成一个正三角形。
验证推导
在△ABC的各边上向外各作等边△ABF,等边△ACD,等边△BCE。
如何证明:这3个等边三角形的外接圆共点?
思路1:利用四点共圆来证明三圆共点。这是证明拿破仑定理的基础。
证明:设等边△ABF的
外接圆和等边△ACD的外接圆相交于O;连AO、CO、BO。
∴ ∠AFB=∠ADC=60°;
∵ A、F、B、O四点共圆;A、D、C、O四点共圆;
∴ ∠AOB=∠AOC=120°;
∴ ∠BEC=60°;
∴ B、E、C、O四点共圆
∴ 这3个等边三角形的外接圆共点。
结论:因为周角等于360°,所以,∠AOB=∠AOC=120°时,∠BOC就等于120°;用四点共圆的性质
定理和判定定理来证明三圆共点的问题。
以任意三角形的三边为边向外作等边三角形,则这三个等边三角形的中心的连线是一个等边三角形。
求证:上面3个等边三角形的中心M、N、P的连线构成一个等边三角形?
证明一
思路:利用已有的三个圆和三个四点共圆来证明。
证明:设等边△ABD的
外接圆⊙N,等边△ACF的外接圆⊙M,等边△BCE的外接圆⊙P
∵ A、D、B、O四点共圆;
A、F、C、O四点共圆
B、E、C、O四点共圆
∠AFC=∠ADB=∠BEC=60°;
∵ NP、MP、MN是连心线;
BO、CO、AO是公共弦;
∴ BO⊥NP于X;
CO⊥MP于Y;
AO⊥NM于Z。
∴ X、P、Y、O四点共圆;
Y、M、Z、O四点共圆;
Z、N、X、O四点共圆;
∴ ∠N=∠M=∠P=60°;
证明二
思路2:证明原三角形
几何中心至外围三个等边三角形几何中心距离
相等。
左图中绿色
构造线利用中线特性求其长度,绿色角度值亦可用
余弦定理求出,结合垂角,进一步利用余弦定理求出两几何中心距离,同理可证原几何中心与另外两个等边三角形的几何中心距离。
费马点也是证明拿破仑定理的好方法。
右图即是用费马点的性质来推导拿破仑定理的证明方法。
证明三
思路3:用相似证明三边相等
证明:如图,分别以△ABC的边BC、AC、AB为
等边三角形边长,向△ABC外作等边三角形(△BCC'、△ACA'、△ABB'),设这三个三角形的中心分别为D,E,F,
则:∠FAB=∠FBA=∠DBC=∠DCB=∠EAC=∠ECA=30°
以点A为圆心,以AF长为半径作弧;以点E为圆心,以DC长为半径作弧。设两弧在
多边形AFBDCE内交于点G。则AG=AF,GE=DC。
连接GF、GA、GE,DE、DF、EF。
∵△ABF、△BCD、△ACE都是底角为30°的
等腰三角形(即∠FAB=∠FBA=∠DBC=∠DCB=∠EAC=∠ECA=30°)
∴△ABF∽△BCD∽△ACE,
∴AF/AB = AE/AC = DC/BC 又∵AG=AF,GE=DC
∴AG/AB = AE/AC = GE/BC
∴△AGE∽△ABC
∴∠GAE=∠BAC
∴∠FAG = ∠EAF-∠GAE = ∠EAF-∠BAC = ∠FAB+∠EAC = 60°
又∵AG=AF
∴AG=AF,∠AGF=60° ∵△
age∽△ABC
∴∠AGE=∠ABC
又∵∠FBD = ∠ABC+∠FBA+∠DBC = ∠ABC+60°
∠FGE = ∠AGE+∠AGF = ∠AGE+60°
∴∠FBD=∠FGE
∵在△FBD和△FGE中,
FB=FG,∠FBD=∠FGE,BD=GE
∴△FBD≌△FGE(SAS)
∴FD=FE
同理,FD=DE
∵FD=DE=FE