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銳角三角形\(\Delta ABC\)中,\(D\)、\(E\)分別在\(\overline{AB}\)、\(\overline{AC}\)上。過\(D\)、\(E\)分別作\(\overline{AB}\)、\(\overline{AC}\)之垂線,交於\(\Delta ABC\)內部一點\(P\)。
試證:\(\overline{AP}\cdot(\overline{BC}-\overline{DE})\ge \overline{BD}\cdot \overline{AE}+\overline{CE}\cdot \overline{AD}\)。
[解答]
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猜測修正題目的不等式為 \( \overline{AP}(\overline{BC}-\overline{DE})\geq\overline{BD}\cdot\overline{PE}+\overline{CE}\cdot\overline{PD} \),證明如下
注意 \( \overline{AP}(\overline{BC}-\overline{DE})\geq\overline{BD}\cdot\overline{PE}+\overline{CE}\cdot\overline{PD}\Leftrightarrow\overline{AP}\cdot\overline{BC}\geq\overline{BD}\cdot\overline{PE}+\overline{CE}\cdot\overline{PD}+\overline{AP}\cdot\overline{DE} \)
而 \( ADPE\) 為圓內接四邊形,由托勒密定理有 \( \overline{AP}\cdot\overline{DE}=\overline{AD}\cdot\overline{PE}+\overline{AE}\cdot\overline{PD} \)。
故原不等式等價於 \( \overline{AP}\cdot\overline{BC}\geq\overline{AB}\cdot\overline{PE}+\overline{AC}\cdot\overline{PD} \)。
令 \(Q\) 為 \(P\) 對 \(\angle BAC\) 之分角線之對稱點,\(D'\), \(E'\) 分別為 \(Q\) 對 \(\overleftrightarrow{AB}\),\(\overleftrightarrow{AC}\) 之投影點,則有 \(\overline{AQ}=\overline{AP}\),\(\overline{QD'}=\overline{PE},\overline{QE'}=\overline{PD}\)。
四邊形 \(ABQC\) 之面積 \(=\frac{1}{2}\left(\overline{AB}\cdot\overline{QD'}+\overline{AC}\cdot\overline{QE'}\right)=\frac{1}{2}\left(\overline{AB}\cdot\overline{PE}+\overline{AC}\cdot\overline{PD}\right)\)。
亦可寫為 \(\triangle AQB+\triangle AQC=\frac{1}{2}\overline{AQ}\cdot\overline{BC}\sin\theta\),
其中 \(\theta\) 為 \(\vec{AQ}\) 和 \(\vec{BC}\) 的夾角。又 \(\sin\theta<1\) 且 \(\overline{AQ}=\overline{AP}\),
因此\(\overline{AP}\cdot\overline{BC}\geq\overline{AB}\cdot\overline{PE}+\overline{AC}\cdot\overline{PD}\),又此不等式與欲證之命題等價,故得證。
注意以上證明中,並沒有用到銳角之條件,及點 \(P\) 在三角形內部。銳角之條件雖保證點 \(P\) 在三角形內部,但點 \(Q\) 仍可以在三角形外,而且鈍角時,即使 \( P,Q \) 分在三角形外,結論及證明亦正確。