Euclidea 14.5
如图,给定三个两两相切的圆,O,O_1, O_2。三个圆心共线。
任务:尺规作出一个圆,与给定的三个圆都相切。
- 设圆O与圆O_1的切点为A
- 连接OA
- 过O做OA垂线交圆O于D
- 以D为圆心,DA为半径作圆,交圆O_1和圆O_2于E和F。
- 作直线EO_1和FO_2交于G
- 以G为圆心,GE为半径作圆
- 圆G即为所求圆
简要证明:
- 如图,设三个圆切点为A,B,C。明显A,B,C,O,O_1,O_2五点共线。
- 以A为中心作反演变换,取反演圆与圆O_2正交。于是圆O_2经反演变换后不变。B,C互为反演点。
- 分别过B和C做AB的垂线L_B和L_C。易知圆O1和圆O经反演变换后分别为L_B和L_C。
- 如图作圆G'同时与圆O_2,L_B和L_C相切于E'和F'。
- 过E'F'作直线L,易证C在L上,并且∠E'CB为45°。
- 设L经过反演变换得到的圆为圆D',考虑圆D'的性质:
- 直线AD'与直线L垂直
- 圆D'经过A(因为L不经过A)
- 圆D'经过B(因为L经过C,而B,C互为反演点)
- 于是可知圆D就是圆D',因此E和E', F和F'分别互为反演点。
- 设圆G'经过反演变换为圆G''。因为圆G'与L_B和圆O_2相切于E'和F',所以圆G''与圆O_1和圆O_2相切于E和F。
- 所以G''即是EO_1和FO_2的交点,且圆G''半径是G''E。于是圆G即是圆G''。
- 因为圆G'与L_B,圆O_2,L_C都相切,所以圆G与三个给定圆都相切。证明完毕。
参考资料:Pappus chain
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