Simone
浅谈三角形的费马点 法国著名数学家费尔马曾提出关于三角形的一个有趣问题：在三角形所在平面上，求一点，使该点到三角形三个顶点距离之和最小．人们称这个点为“费马点”．这是一个历史名题，近几年仍有不少文献对此介绍． 本文试以课本上的习题、例题为素材，根据初中学生的认知水平，针对这个问题拟定一则思维训练材料，引导学生通过自己的思维和学习，初步了解这个问题的产生、形成、推理和论证过程及应用． 1．三角形的费马点 已知：如图1，ΔABD、ΔAEC都是等边三角形．求证：BE=DC． 这个题目证明比较容易，下面提几个问题供同学们思考． 思考1 在ABC的BC边再作等边三角形BCF，并连接AF如图2，可得到什么结论？是否有 (1)BE=CD=AF？ (2)BE、CD、AF三线交于一点O？ (3)∠AOB=∠BOC=∠COA=120°？ 思考2 如将原题的图1改成图3，并连接DE，还能得到什么结论？ (1)原题的结论仍然成立：BE=CD． (2)若∠ADC=120°，则D点在等边ΔAEC的外接圆上．D、B、E共线，由BE=CD有：AD＋CD=DE；若∠ADC≠120°，易证AD＋DC＞DE．得到下列命题． 定理1 等边三角形外接圆上一点，到该三角形较近两顶点距离之和等于到另一顶点的距离；不在等边三角形外接圆上的点，到该三角形两顶点距离之和大于到另一点的距离． 思考3 根据上述定理，在图2中还有 (1)OA＋OB＋OC=AF． (2)在ΔABC内另取一点O，总有 O′A＋O′B＋O′C＞AF， 即 OA＋OB＋OC＜O′A＋O′B＋O′C． (3)点O是ΔABC所在平面上到三个顶点距离之和为最小的点． 定理2 三角形每一内角都小于120°时，在三角形内必存在一点，它对三条边所张的角都是120°，该点到三顶点距离和达到最小，橘桥称为“费马点”，当三角形有一内角不小于120°时，此角的顶点即为费马点． 2．水管线路最短问题 如图4，要在河边修建一个水泵站，分别向张村、李庄供水，修在河边什么地方，可使所用水管最短？ 这是一个很有意义的应用题，在公路，自来水或煤气管道线圆老猛路设计等方面都有一定价值．假如不是由水泵站C直接向A、B两地供水，那么本例用“对称点”方法所确定的线路CA＋CB并不是最短线路．易知当A、B、C三点所确定的三角形各角都小于120°时，在该三角内必存在费马点O有OA＋OB＋OC＜CA＋CB，可见水管总长还可以更小一些．于是水管线路最短问题即含档为A、B两点在直线L同侧，点C为L上一个动点的费尔马问题，下面分两类情况讨论这个问题． (1)AB与L的夹角小于30”． 如图5，以AB为一边作正三角形ABM，并作ΔABM的外接圆． 当所作外接圆与直线L相离或相切时，从M点作直线L的垂线，交圆于O点，垂足为C．C即为水泵站位置，先把水引到O点，再从O点分别向A、B两地供水，此时点O 更短，即在L上另选一点都不会改进． 优的了，因为∠ABC≥120°，费马点就是点C也就是在C建水泵站直接向A、B两地供水．如果水泵站C选在P点的左侧，如图7，此时△ABC的费马点O必在在点P上，故L上点P的左侧不会有更好的点可选，同理Q点的右边也找不出更好的点． (2)AB与L的夹角不小于30°． 如图8，若A点离直线L较近，作AC⊥L交于C，点C为水泵站位置，因为∠CAB≥120°，点A即为ΔABC的费马点，此时水管总长为CA＋AB．在L上任意另取一点都不会再有改进．显然在点C的左侧取一点C′时，ΔABC′的费马点仍在A点，易知 弧上(因为ΔABM的外接圆不会与L相交或相切)，故必有；O′A+O′B+O′C=O′M+O′C＞CA+AM=CA＋AB． 综上所述水管的最短线路有三种分别为“Y”字型“V”字型及“厂”字型． 3．两个应用题 文(4)谈到95年全国高考命题组，对应用题选编时曾考虑过如下两个题目： (1)一条河宽1km，两岸各有一座城市A与B，A与B的直线距离是4km，今须铺设一条电缆连A与B，已知地下电缆修建费用为2万元/km，水下电缆为4万元/km，假定河两岸是直线，问应如何架设电缆方可使总施工费用达到最小？ (2)有四个点位于一个正方形的四个顶点上，须用线将它们连成一个网络(即从任何一点出发，可沿此网络中的线达到别的点)，问此网络应以什么方式连接这四个点，方可使所用的线总长最小？ 汤建新，赵汉群曾在《中学数学》(湖北)1997．10月刊上发文(5)对(1)题作了详细讨论，并给出一个很巧妙的解答，使初中学生可以理解．用费马点也可这样去解，因为水底电缆每千米修建费为地下的两倍，如图9，实际上即为在河岸直线L上找一点C使AC＋2BC最小，取B点关于L的对称点B′，因为BC=B′C故所求点C(电缆的下水点)即为ΔABB′的费马点，取∠BCA=120°即得． 关于(2)题如图10，易知不论如何连接，所求的网络必通过正方形中心O点，问题转化为ΔABO与ΔDCO的费马问题，也可以转化为问题(1)，详细解答请同学们考虑．
