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從拿破侖定理到奧貝爾定理——復數與幾何證明

拿破侖·波拿巴是十九世紀法國偉大的軍事家、政治家,法蘭西第一帝國的皇帝。拿破侖也是一名頗具才能的數學愛好者,上軍校時曾獲得數學獎,被其數學老師視為得意門生。他發現并證明了以下定理:

拿破侖定理

以任意三角形各邊為邊分別向外側作等邊三角形,則他們的中心構成一個等邊三角形。該等邊三角形稱為拿破侖三角形。如果向內作三角形,結論同樣成立。

放手家長(頭條號@放手家長)曾利用復數三點比的性質,對上述定理給出了一個非常漂亮的證明。證明簡潔美觀,感興趣的讀者可以去了解一下。

現在,我們重新思考拿破侖定理,初等幾何最常見兩大類幾何圖形就是三角形和矩形了。拿破侖定理中,是根據三角形的每條邊同時向內或向外做正三角形,那么如果向外或向內做正方形會如何呢?

如下圖,任取三角形ABC,以三條邊分別向外做正方形。取三個正方形的中心,連接成新三角形DEF。利用幾何畫板作圖如下:

然而,并沒有正三角出現,甚至連個等腰三角形也不是。似乎此路不通。

不著急。我們再仔細觀察一下上面的圖形??雌饋恚绻B接BG的話,似乎BG和EF是垂直的,而且長度還差不多。由三條邊的未加限定的一般性可知,假如BG和EF垂直且相等的話,那CE和FG垂直且相等,AF和EG垂直且相等。從圖上看來,似乎是成立的!不妨一試。

這里以驗證線段BG和EF的關系為例:隱藏無關線段,連接BG。移動三角形各個頂點,觀察EF、BG的長度和斜率變化,如下:

在變化的過程中,EF與BG始終相等且兩者斜率乘積為-1,也就是互相垂直。

現在,幾乎可以肯定結論是正確的,但幾何畫板不是證明。還需要給出嚴格的數學證明。類似地,這里用復數的性質進行證明。兩線段垂直且相等,其實就是旋轉90°的關系。等價于線段對應的復數z1和z2滿足z1=±i*z2(i是虛數單位,i^2=-1)。

建立復平面,A,B,C,E,F,G各點分別表示一個復數。怎么樣處理這六個點呢?題設是先有任意一個三角形ABC,再有三個點EFG的,所以思路就是建立EFG三個點和ABC三點之間的關系。

容易知道,三角形AEB是等腰直角三角形,AE=BE,且互相垂直,對應復數關系,也就是:

同理,有

于是

從而|EF|=|BG|,兩者的確垂直且相等。同理可證CE和FG垂直且相等,AF和EG垂直且相等。

證明完畢!

現在,我們再思考一下。拿破侖定理是利用任意三角形然后再做正三角形,上面的推廣把正三角形變成了正方形,以任意三角形然后再做正方形,我們也得到比較不錯的性質。但是,似乎哪里有些不和諧的地方?

任意三角形是不是可以改成任意四邊形呢?以該四邊形的四條邊再做四個正方形,這樣是不是和拿破侖定理更有”對稱性“的一種推廣形式呢?不妨一試。

幾何畫板作圖如下:作任意四邊形ABCD,分別以各邊向外做正方形,中心分別是EFGH.

有了前面的鋪墊,一眼可以看出GE與FH垂直且相等。

類似地,利用復數,有如下證明:

奧貝爾定理(van Aubel's theorem)

于是,我們得到奧貝爾定理:任意一個四邊形(凸或凹皆可),在其各邊外側構造一個正方形。將對邊正方形的中心連線,就得到兩條長度相等且互相垂直的線段。三角形可以視為四邊形的特例——一條邊為0的四邊形。此時,兩個頂點以及相應正方形的中心收縮為同一個點,奧貝爾定理仍成立。

復數作為幾何證明的一種方法,其實就是解析幾何中的向量分析。但復數天然地既可視為數,又可視為旋轉拉伸變換,具有良好的運算性質和清晰的幾何意義,所以許多平面幾何的問題,運用復數都可以做出比較簡潔的解答。

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