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如何作費馬點及其原因

發布時間: 2022-05-06 06:40:14

1. 如何找費馬點

若有一個內角大於等於120度,就是這個頂點。
若沒有的話,就是到三邊張角均為120度的角。
你可以用尺規在一個邊AB外做一個正三角形。找出它的重心(AB邊中線距頂點2/3處)。以這點為圓心,過A,B兩點做圓,同理作BC,CA邊的圓,交點即為費馬點。

2. 怎樣做出費馬點

費馬問題)在三角形ABC內找一點P,使其到三個頂點的距離和是最小。(P稱為費馬點)

這是費馬給伽利略的學生和助手托里析利(E. TOrricelli 1608~1647)考慮的一個幾何難題。

托里析里在對物體運動,流體力學及大氣壓力有研究,他發明水銀柱氣壓計,由此證明大氣是有壓力。他對費馬的這個問題給出了幾何解決方法,先來介紹五十多年前一位英國人霍夫曼(J.E. Hofmann)以及匈牙利數學家笛波·伽累依(Tibor Gallai)先後想出同樣的一個解決方法。霍夫曼及伽累依是怎樣考慮費馬的問題呢?

先假設△ABC沒有一個角大於120°。在△ABC內任取一點P,如圖,向外作一正△PBP' 與C隔於BP,作正△ABC′ 與C隔於AB,容易看出,∠1=∠2,A'B=AB,P'B=PB,則△APB≌△A'BP',進而PA=P'A'。即PA+PB+PC=P'A'+P'P+PC。A'和C是定點,若要使距離和最小,則需要P'P在A'C上。此時,∠3=180-60=120,則∠4=∠3=120。同理可證其餘各角都是120。

這就導出一則畫法:向△ABC外作正△ABA',作其外接圓交A'C於P,P就是費馬點。

又或者向△ABC外任作兩正△,把它的頂點連接相對的三角形頂點,產生的2條連線交點為費馬點.
以下是托里析利的方法:以AB,AC為邊向外作兩個正三角形其外接圓交於A和P。過A的PA的垂線、過B的PB的垂線、過C的PC的垂線交成△XYZ,如圖。按作圖方法知道∠APB=120,但∠PBX=∠PAX=90,於是∠X=60,同理∠Y=∠Z=60,則△XYZ是等邊三角形。假定有一個不與P重合的點P',過P'向這個等邊三角形引垂線P'A'、P'B'、P'C',注意到直角三角形斜邊大於直角邊,又考慮一下維維亞尼定理(正三角內的點到三邊距離之和為定值),於是
P'A +P'B +P'C
>P'A'+P'B'+P'C'
=PA +PB +PC

其最小性得證。於是也導出一種畫法:以AB、BC為邊向外作一個正三角形,再作其外接圓,兩個圓就交於費馬點。很巧在托里析利 300 年後的匈牙利著名數學家李茲( Frederick Riesz )也給出同樣的方法

3. 費馬點的尺規作圖法

(1)根據定義,首先判斷給定三角形的三個內角是否均小於120°.
1.以任意半徑畫圓0,並作出圓的一條直徑AB。
2.以點A(或點B)為圓心,OA(或OB)為半徑畫出圓A(或圓B)
3.兩圓相交於C點,連接AC,BC
4.則∠CBA或∠CAB為30°,∠C為90°,兩角相加即為120°
(2)若大於等於120°,則該鈍角頂點即為該三角形的費馬點
(3)若三角形的三個角均小於120°,則繼續做以下步驟
1.以三角形任意一邊a向外做等邊三角形
2.找出該等邊三角形的外心,並作出外接圓
3.連接a邊所對的兩個頂點(連接AD)
4.該連線與外接圓交點即為該三角形的費馬點
【步驟3證明】 如圖,E,B,D,C 四點共圓,∠D=60°,所以∠BEC=180°-∠D=120° 弧BD所對的圓周角∠BED=∠BCD=60°,所以∠AEB=120°

4. 費馬點的證明過程 要詳細

1.費馬點一定不在三角形外(證明略)
2.當有一個內角大於或等於120°時
對三角形內任一點P延長BA至C'使得AC=AC',做∠C'AP'=∠CAP,並且使得AP'=AP,
PC'=PC,(說了這么多,其實就是把三角形APC以A為中心做了個旋轉)則△APC

△AP'C'∵∠BAC

120°∴∠PAP'
=
180°-∠BAP-∠C'AP'
=
180°-∠BAP-∠CAP
=
180°-∠BAC

60°∴等腰三角形PAP'中,AP

PP'∴PA
+
PB
+
PC

PP'
+PB
+
PC'
>
BC'
=
AB
+
AC∴點A即費馬點
當三個內角都小於120°時
在△ABC內做一點P,使得∠APC
=∠BPC
=∠CPA
=
120°,過A、B、C分別作PA、PB、PC的垂線,交於D、E、F三點,如圖,再作任一異於P的點P',連結P'A、P'B、P'C,過P'作P'H

EF於H易證明∠D
=∠E
=∠F
=
60°,即△DEF為正三角形,設邊長為d,面積為S則有2S
=
d(PA
+
PB
+
PC)∵P'H

P'A所以2S△EP'F

P'A
·d
①同理有2S△DP'F

P'B·d
②2S△EP'D

P'C·d
③①
+

+
③,得
2(S△EP'F
+
S△DP'F
+
S△EP'D)

P'A·d
+
P'B·d
+
P'C·d
∴2S

d(P'A
+
P'B
+
P'C)
又∵2S
=
d(PA
+
PB
+
PC)
∴d(PA
+
PB
+
PC)

d(P'A
+
P'B
+
P'C)即PA
+
PB
+
PC

P'A
+
P'B
+
P'C
當且僅當P與P'重合時,等號成立∴點P即費馬點

5. 怎樣做出三角形的「費馬點」

費馬點是指在三角形所在的平面內,到三角形三個頂點的距離的和最小的點.
(1).三內角皆小於120°的三角形ABC的費馬點,分別以
AB,BC,CA,為邊,向三角形外側做正三角形ABC1,ACB1,BCA1,然後連接AA1,BB1,CC1,則三線交於一點P,則點P就是所求的費馬點.
(2).若三角形有一內角大於或等於120度,則此角的頂點就是所求.
對於任意三角形△ABC,若三角形內某一點P令PA
+
PB
+
PC三線段有最小值的一點,P為費馬點。
作法
*
當三角形的內角都小於120度時
o
向外做三個正三角形△ABC',△BCA',△CAB'
o
連接CC'、BB'、AA'
*
當有一個內角不小於120度時,費馬點為此角對應頂點。
費馬點的另外一種解法
:
在一塊理想的(水平光滑)木板上畫上要研究的
符合條件的三角形(任意頂角小於120度)
在三個頂點和費馬點處打洞(無限小,壁光滑)
用三根繩子分別繫上三個同樣質量的物體,穿過
三個頂點的洞再打個結系在一起。(結當然也是理想的啦,無限小)
鬆手讓整個系統自由運動。那麼,繩結一定會落在
費馬點(能量最低原則保證在桌面上的繩子總長度最短)
然後,由於是三個大小相同的矢量在平面上平衡,(三個物體質量一樣)
所以三根繩子之間的夾角均為120度。
若P是三角形ABC內的一點,那麼就分別過A點,B點,C點作PA,PB,PC的垂線,使之構成新的三角形,然後你就可以證明只有當PA,PB,PC每兩條直線所成角為120度時,PA+PB+PC的和最小

6. 如何作費爾馬點

若三角形最大角大於等於120°,則最大角頂點就是費馬點;若最大角小於120°,以每邊向外作等邊三角形,分別作三角形的外接圓,三個圓交於一點,這點就是費馬點

7. 費馬點等邊三角形作法

(1)△ABC費馬點如圖所示:

8. 如何作費爾馬點急啊~~~~~~~

對於三角形ABC,只要其中最大角不超過120度,則費馬點在三角形內部.
分別以三邊為邊長,向外作三個正三角形.
這三個正三角形的外接圓交於一公共點,該點即為費馬點.

9. 怎麼找費馬點

若有一個內角大於等於120度,就是這個頂點。
若沒有的話,就是到三邊張角均為120度的角。
你可以用尺規在一個邊ab外做一個正三角形。找出它的重心(ab邊中線距頂點2/3處)。以這點為圓心,過a,b兩點做圓,同理作bc,ca邊的圓,交點即為費馬點。

10. 費馬點的解法與證明

怎麼證明費馬點到三角形頂點距離最短?2006年4月9日 (一) 以數學方法證明費馬點的存在及其特性:
Ⅰ.其實在之前就有一些有名的數學家提出相關的作 法及證明,我把文獻上找到的一一列於附件說明,另外我也試著做做看是否有其他的方式可以求出費馬點:
1.費馬點之求法
(1) 做一三內角均小於120°之△ABC。
(2) 以 , 為一邊,分別向外側做正三角形△ABD與△ACE。
(3) 連接 , 交於P點,則P點即為所求。
2.費馬點的性質:L= + + 為最小值。
~首先證明由上述作法做的費馬點存在-----
ㄅ.旋轉△BPC,
使 與 重合( = ),
P點落在H處
則∠BPC=∠BHG=120°
ㄆ.又∠BHP=60°(證明在ㄇ)
∴∠BHG+∠BHP=180°
故A,P,H,G三點共線
ㄇ.∵△BHG △BPC
得 = , =
∵∠2+∠3=60°且∠1=∠3
∴∠1+∠2=60°=∠PBH
因此△BPH為正△,得 =
知存在一點P使得 + + = + + =
~再來證明所求出的點至三頂點距離最小
ㄅ.在ABC內另取一點Q異於P,
連接 、 、
ㄆ.參考步驟(1)之證法同理可證得 + + = + +
ㄇ.
故P點使 + + 為最小值
Ⅱ.一般費馬點的探討僅限於三角皆小於120°三角形內部,那麼如果討論任一角大於或等於120°之三角形,是否能找到一點至三頂點距離和最短?
(1) △ABC的∠A>120°,P為△ABC內部任一點
延長 至B',使 =
做∠B'AP'=∠BAP,取 =
故△B'AP' △BAP,得 = 。
於是 + + = + + ,
(2) 但因∠A>120°,故∠B'AB<60°,
亦得∠PAP'<60°;從而等腰三角形P'AP
中∠AP'P>60°,故 >
則 + + > + + > + ,即 + + > +
亦即:如果有一點P與A重合,則P點即是到A、B、C三點距離之和最小的點。
(3) 證得:若已知三角形有一內角大於或等於120°,則費馬點即為該內角的頂點。
Ⅲ.三內角皆小於120°的三角形才存在費馬點,但在日常生活中不止三角形需要找到一點到各頂點距離和最小ㄚ!也就是如果改變形狀後是否能找到一點P點,使得P點至頂點距離和最小,我們以下就最簡單的四邊形先做討論

(1) 已知:四邊形ABCD
求作:ABCD內的P點
做法:在四邊形ABCD中
∵對角線為直線
∴對角線 為A、C之間的最小距離
同理對角線 為B、D之間的最小距離
發現: 、 之交點P為四邊形ABCD內之一點使得 + + + 為最小值
即P點至四邊形四個頂點距離和最小
(2) 證明
在四邊形ABCD內另取一點P'異於P
連接 、 、 、
△P'BD、△AP'C中
+ > 且 + > (任兩邊和大於第三邊)
∴ + + + > + = + + +
故P點使 + + + 為最小值
(二) 運用物理學方法探討費馬點之相關理論———常聽人說『數學是科學之
母』,那是否能運用科學方法驗證費馬點的存在性或一些費馬點的性質ㄋ?參考老師的意見並思考後做了一系列有關力學的實驗:
1. 實驗一:從三力平衡證明費馬點的性質- 、 、 所夾的三個角必為120°。
(1) 以木條為邊組裝正三角形,三頂點各裝置一滑輪,取三條等長棉線一端各懸掛一等重黏土塊W,分別由三滑輪垂下,另一端連在一起代表P點。
(2) 讓重物自然垂下到達靜止狀態,量測∠APB、∠APC、∠BPC之角度(數據說明在表一)。
(3) 因為三重物重量相等,三條線的張力亦相同,即F1=F2=F3=W在平衡時所構成的力圖(參考圖A)形成的「封閉三角形(參考圖B)」為正三角形,亦即該力圖之三力所夾的三個角
皆為120°。
(4) 將步驟(2)之實驗裝置垂直置於一座標平面之上方,紀錄P點座標,再和(三)求出之P點一次函數,以電腦程式計算(詳細程式參考附件二)是否符合。
(5) 重復以上步驟5次,並改變三角形的形狀重復操作。
2. 實驗二:從實驗發現費馬點具有最低的位能的特性。
(1) 以木條為邊組裝正三角形ABC置於水平面上,三頂點各裝置一滑輪,取三條等長棉線一端各懸掛一等重黏土塊W,分別由三滑輪垂下,由實驗一已知P點為費馬點。
(2) 於P點(費馬點)懸掛一黏土塊W,讓重物自然垂直向下移動到達靜止狀態(裝置參考圖C),量測此時P點與水平面之垂直距離,分別作三次後取平均值,高度為hP。
(3) 將P點任意移