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mathematica 机器证明平面几何定理【例 3】

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大司空

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2007
发表于 2023-10-3 08:31:30 | 显示全部楼层 |阅读模式


彭色列定理的最简单情况:从三角形 ABC 的外接圆上任意一点 $ Q $作内切圆的两条切线,设它们分别交外接圆于点$ Q1 $和$ Q2 $,则$ Q1Q2 $ 也是内切圆的切线 (如上图)。

程序如下:
  1. XI = 0; YI = 0;  (*  令三角形内切圆的半径为 1, 圆心位于坐标系原点  *)ZI = XI + YI I;  (*  三角形内切圆圆心 I 的复坐标  *)u =.; v =.;XB = u; YB = -1; XC = v; YC = -1;  (*  定义 B、C 点的坐标。BC 平行于横轴。u, v \是独立变量,u<0, v>0  *) ZB = XB + YB I; ZC = XC + YC I;  (*  B、C 点的复坐标  *)(*  下面求 A 点的坐标  *)XA =.; YA =.; aa = {XA, YA} /.   Assuming[XA (YB - YC) + XB (YC - YA) + XC (YA - YB) > 0 ,    Solve[{(XA Sqrt[(XB - XC)^2 + (YB - YC)^2] +        XB Sqrt[(XA - XC)^2 + (YA - YC)^2] +        XC Sqrt[(XA - XB)^2 + (YA - YB)^2])/(      Sqrt[(XA - XB)^2 + (YA - YB)^2] +        Sqrt[(XB - XC)^2 + (YB - YC)^2] +        Sqrt[(XC - XA)^2 + (YC - YA)^2]) == 0, (      YA Sqrt[(XB - XC)^2 + (YB - YC)^2] +        YB Sqrt[(XA - XC)^2 + (YA - YC)^2] +        YC Sqrt[(XA - XB)^2 + (YA - YB)^2])/(      Sqrt[(XA - XB)^2 + (YA - YB)^2] +        Sqrt[(XB - XC)^2 + (YB - YC)^2] +        Sqrt[(XC - XA)^2 + (YC - YA)^2]) == 0, (      XA (YB - YC) + XB (YC - YA) + XC (YA - YB))/(      Sqrt[(XA - XB)^2 + (YA - YB)^2] +        Sqrt[(XB - XC)^2 + (YB - YC)^2] +        Sqrt[(XC - XA)^2 + (YC - YA)^2]) == 1}, {XA, YA }]];bb = aa[[1]];XA = bb[[1]];   (* A 点的横坐标 *)YA = bb[[2]];  (* A 点的纵坐标 *)ZA = Simplify[XA + YA I];  (* A 点的复坐标 *)Print["\!\(\*StyleBox["程序给出的证明如下",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["\!\(\*StyleBox["\[EmptyUpTriangle]ABC",\nFontColor->RGBColor[0, 0, \1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["各顶点的复坐标",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["A = ", ZA];ZB = Simplify[XB + YB I];  (* B 点的复坐标 *)Print["B = ", ZB];ZC = Simplify[XC + YC I];  (* C 点的复坐标 *)Print["C = ", ZC]; (* 三角形 ABC 外接圆圆心 O 的坐标:  *)XO = ((XA^2 (YB - YC) + XB^2 ( YC - YA) +      XC^2 ( YA - YB)) - (YA - YB ) ( YB - YC) (YC - YA))/(  2 XA (YB - YC) + 2 XB ( YC - YA) + 2 XC ( YA - YB));YO = -(((YA^2 (XB - XC) + YB^2 ( XC - XA) +       YC^2 ( XA - XB)) - (XA - XB ) ( XB - XC) (XC - XA))/(   2 XA (YB - YC) + 2 XB ( YC - YA) + 2 XC ( YA - YB)));ZO = Factor[XO + YO I];Print["\!\(\*StyleBox["\[EmptyUpTriangle]ABC",\nFontColor->RGBColor[0, 0, \1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["外接圆圆心的复坐标",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["O = ", ZO];(* 下面求三角形 ABC 外接圆的半径 R  *)R = Assuming[u < 0 && v > 0 && 1 + u v < 0,    Factor[Simplify[     Sqrt[((XA - XB)^2 + (YA - YB)^2)  ((XB - XC)^2 + (YB -           YC)^2) ((XC - XA)^2 + (YC - YA)^2)]/(     2 (XA (YB - YC) + XB (YC - YA) + XC (YA - YB)))]]];Print["\!\(\*StyleBox["\[EmptyUpTriangle]ABC",\nFontColor->RGBColor[0, 0, \1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["外接圆的半径",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["R = ", R];\[Alpha] =.;   (* 在内切圆 I 上任取一点 P, IP 直线与横轴的夹角为 \[Alpha] *) XP = Cos[\[Alpha]]; YP = Sin[\[Alpha]] ; ZP = Factor[XP + YP I];  (* P 点的复坐标 *)Print["\!\(\*StyleBox["在内切圆",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) \!\(\*StyleBox["I",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["上任取一点",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["P",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["IP",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["与横轴的夹角为\[Alpha]",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["时",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["P",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["点的复坐标",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["P = ", ZP]; (* 自 P 点作圆 I 的切线,交圆 O 于 Q1 和 Q2,下面求 Q1 及 Q2 的坐标 *)(* Q1Q2 直线的方程是 x Cos[\[Alpha]]+y Sin[\[Alpha]]=1, 三角形 ABC 外接圆的方程是 \(x-XO)^2+(y-YO)^2= R^2  *)x =.; y =.; aa = {{x, y}} /.   Simplify[Assuming[u < 0 && v > 0 && 1 + u v < 0,     Solve[{x  Cos[\[Alpha]] + y  Sin[\[Alpha]] ==        1, (x - XO)^2 + (y - YO)^2 == R^2}, {Factor[Simplify[x]],       Factor[Simplify[y]] }]]];bb1 = aa[[1]];(* 交点 Q2 *)bb2 = aa[[2]];(* 交点 Q1 *)cc1 = bb1[[1]]; XQ2 = cc1[[1]]; YQ2 = cc1[[2]];cc2 = bb2[[1]]; XQ1 = cc2[[1]]; YQ1 = cc2[[2]];ZQ1 = Simplify[XQ1 + YQ1 I];ZQ2 = Simplify[XQ2 + YQ2 I] ; Print["\!\(\*StyleBox["自",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["P",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["点作圆",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["I",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["的切线",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["交\[EmptyUpTriangle]ABC",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["外接圆于",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q1",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["和",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q2",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["则",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q1",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["及",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q2",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["的复坐标为",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["Q1 = ", ZQ1];Print["Q2 = ", ZQ2];     (* 从 Q1 向单位圆 I 作切线,交 \[CircleDot]O 于 Q 点。 则该切线的方程是   (XP XQ1^2+2 XQ1 YP YQ1-XP YQ1^2)x+ (YP YQ1^2+2YQ1 XP XQ1-YP XQ1^2 \)y =XQ1^2+YQ1^2   从 Q2 向单位圆 I 作切线,交 \[CircleDot]O 于 Q 点。 则该切线的方程是  (XP XQ2^2+2 XQ2 YP YQ2-XP YQ2^2)x+ (YP YQ2^2+2YQ2 XP XQ2-YP XQ2^2 )y \=XQ2^2+YQ2^2    下面求上述两条切线的交点 Q 的坐标   *)x =.; y =.; aa = {{x, y}} /.   Simplify[Assuming[u < 0 && v > 0 && 1 + u v < 0,     Solve[{(XP XQ1^2 + 2 XQ1 YP YQ1 - XP YQ1^2) x + (YP YQ1^2 +            2 YQ1 XP XQ1 - YP XQ1^2 ) y ==        XQ1^2 + YQ1^2, (XP XQ2^2 + 2 XQ2 YP YQ2 -            XP YQ2^2) x + (YP YQ2^2 +2 YQ2 XP XQ2 -YP XQ2^2 ) y ==        XQ2^2 + YQ2^2}, {Factor[Simplify[x]], Factor[Simplify[y]] }]]];bb = aa[[1]];(* 交点 Q *)cc = bb[[1]];XQ = cc[[1]];YQ = cc[[2]];ZQ = Simplify[XQ + YQ I];   (* 交点 Q 的复坐标 *)Print["\!\(\*StyleBox["从",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q1",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["和",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q2",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["分别向",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["\[CircleDot]",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["I",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["作切线",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["两条切线相交于",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["点",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["。",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["则",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["点的复坐标为",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[":",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["Q = ", ZQ];(* 下面验证 A、B、C、Q 四点是否共圆。若四个点的复坐标分别是 Z1,Z2,Z3,Z4, 则这四点共圆的充要条件是    \[OpenCurlyDoubleQuote]交比\[CloseCurlyDoubleQuote] \Z=((Z1-Z3)(Z2-Z4))/((Z1-Z4)(Z2-Z3)) 的虚部等于零,或者说 Z 是一个实数。   *)Z0 = Factor[   Simplify[((ZA - ZC) (ZB - ZQ))/((ZA - ZQ) (ZB -        ZC))]];   (* 计算 A、B、C、Q 四点的交比 *)Print["\!\(\*StyleBox["下面验证",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["点是否在",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["\[EmptyUpTriangle]ABC",\nFontColor->RGBColor[0, 0, \1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["的外接圆上",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["。",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["为此须计算",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["A",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["、",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["B",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["、",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["C",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["、",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["四点复坐标的交比",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["。",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\) "];Print["Z0 = ", Z0];(* 判断交比的虚部是否等于零。若等于零,则 A、B、C、Q 四点共圆。 *)If[Factor[ComplexExpand[Im[Z0]]] == 0 ,  Print["\!\(\*StyleBox["由于交比",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Z0",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["的虚部等于零",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["所以",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["A",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["B",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["C",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["Q",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[" ",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["四点共圆",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox[",",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["这就证明了彭色列定理成立",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)\!\(\*StyleBox["。",\nFontColor->RGBColor[0, 0, 1]]\)"]];
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发表于 2023-10-3 08:31:43 | 显示全部楼层
这个程序大约运行了 20 多秒吧。
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发表于 2023-10-3 08:31:52 | 显示全部楼层
这个定理看起来不错,不过我肯定是不会证明的!
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