斯特瓦尔特定理给出了三角形中切氏线(Cevian)与三边长度之间的关系,利用该定理 可以推导出著名的托勒密定理。反之,利用托勒密定理也可以推导出斯特瓦尔特定理。
一、利用斯特瓦尔特定理推导出托勒密定理
如图1,在△ABC中,D为BC上一点,连接AD,根据斯特瓦尔特定理有:
AB²·DC + AC²·BD - AD²·BC=BC·BD·DC,
或AD²·BC=AB²·DC + AC²·BD-BC·BD·DC,
或AB²·DC + AC²·BD=AD²·BC+BC·BD·DC。
作△ABC的外接圆(图2),延长AD交圆于E,连接EB、EC。在四边形ABEC中,根据托勒密定理有下列线段等式:AB·EC+AC·BE=BC·AE。下面介绍两种方法证明托勒密定理。
1.直接利用斯特瓦尔特定理公式推导出托勒密定理公式。
在圆内接四边形ABEC中,根据相交弦定理得:
AD·DE=BD·DC…………①;
易证△DAB∽△DCE,则EC/AB=DC/AD,
即AB·DC=AD·EC…………②;
同理△DBE∽△DAC,则BE/AC=BD/AD,
即AC·BD=AD·BE…………③。
将上述三个等式分别代入斯特瓦尔特定理公式中进行变形:
AD²·BC=AB²·DC + AC²·BD-BC·BD·DC,
AD²· BC=AB(AB· DC)+ AC(AC· BD)-BC(BD·DC),
AD²· BC=AB·AD·EC+ AC·AD·BE-BC·AD·DE,
即AD·BC=AB·EC+ AC·BE-BC·DE,
AD·BC+BC·DE=AB·EC+ AC·BE,
BC(AD+DE)=AB·EC+ AC·BE,
则AB·EC+AC·BE=BC·AE成立。
2.根据图2中的三个线段等式关系(AD· DE=BD· DC,EC/AB=DC/AD, BE/AC=BD/AD)及斯特瓦尔特定理公式(AB²·DC + AC²·BD=AD²·BC+BC·BD·DC)对托勒密定理公式AB·EC+AC·BE=BC·AE的左侧表达式进行变形得:
AB·EC+AC·BE
=AB²·EC/AB+AC²·BE/AC
= AB²·DC/AD+AC²·BD/AD
=(AB²·DC+AC²·BD)/AD
=(AD²·BC+BC·BD·DC)/AD
=(AD²·BC+BC·AD· DE)/AD
= AD·BC+BC·DE
= BC(AD+DE)
= BC·AE,
故AB·EC+AC·BE=BC·AE成立。
二、直接利用托勒密定理推导斯特瓦尔特定理
根据图2圆内接四边形ABEC中已知的线段等量关系,将托勒密定理公式直接变形如下:
AB·EC+AC·BE=BC·AE,
AB²·EC/AB+AC²·BE/AC=BC·AE,
AB²·DC/AD+AC²·BD/AD=BC·AE,
AB²·DC+AC²·BD=BC·AE·AD,
AB²·DC+AC²·BD=BC·AD(AD+DE),
AB²·DC+AC²·BD=BC·AD ²+BC·AD·DE,
AB²·DC+AC²·BD=BC·AD ²+BC·BD·DC,即
AB²·DC + AC²·BD - AD²·BC=BC·BD·DC成立。