圆幂定理

圆幂定理(英语:circle power theorem),是平面几何中的一个定理。这定理指出,给定一个圆 Γ 以及一点 P,从该点引出两条割线,分别与 Γ 相交于 A、B 以及 C、D,则有

这个乘积,是 P 对于 Γ 的圆幂(英语:circle power),故定理以此为名。

圆幂定义

 
在图中,O 是圆心,OA = OT 是半径 r(蓝色),OP 是点到圆心的距离 s(橙色),PT 是切线(红色),PMN 是割线(黑色)。

平面上任意一点 P ,以及半径为 r 、圆心为 O 的圆,则定义圆幂 h 为:

  ,

其中 s = OP 。[1]

从这个定义可知,若 P 在圆内,则圆幂为负数;若 P 在圆外,则圆幂为正数;若 P 在圆周上,则有圆幂等于零。

圆幂又可等价地定义为:从该点穿过圆心的割线,与圆所作的两个交点,与该点距离的乘积。也就是说:

  。

理由如下:

 。

定理内容

圆幂定理有三个变体,分别是“交弦定理”、“割线定理”及“切割线定理”。[2]

交弦定理

 
在图中,圆心为 O,圆上有两弦 AB 及 CD,相交于 E

设有一圆,圆上有两条弦 AB 及 CD,它们相交于 E,则有

 

这个乘积,是 P 的圆幂的相反数 −h。这是因为圆幂为非正数,而线段的乘积为正数。

割线定理

设有一圆,圆外有一点 P,引出两条割线,分别与圆相交于 A、B 以及 M、N,则有

 

这个乘积,是 P 的圆幂 h。

切割线定理

设有一圆,圆外有一点 P,引出一条割线,与圆相交于 A、B ,又引出一条切线,与圆相切于 T,则有

 

这个乘积,同样是 P 的圆幂 h。

证明

交弦定理

从同弓形内圆周角的性质可知,ΔAED 与 ΔCEB 是相似三角形,因此

 

整理可得

 

证明完毕。

割线定理

从同弓形内圆周角的性质可知,ΔPAM 与 ΔPNB 是相似三角形,因此

 

整理可得

 

证明完毕。

切割线定理

从内错弓形圆周角的性质可知,ΔPAT 与 ΔPTB 是相似三角形,因此

 

整理可得

 

证明完毕。

参见

  • 根轴——到两圆圆幂相等的点的轨迹

参考资料

  1. ^ Weisstein, Eric W. Circle Power. From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/CirclePower.html (页面存档备份,存于互联网档案馆)
  2. ^ Coxeter, H. S. M., Introduction to Geometry (2nd Edition), New York: Wiley, 1969