最小周長三角形
【問題】在給定的三個物件上各取一點,使得所形成的三角形周長最小。
如果這三個物件是不好掌握的形狀,那麼當然頗困難,所以就先從簡單的情形看起,(如果是三個點,就別提了)。
如果是兩點和一直線,因為兩點的距離固定,所以問題就變成在直線上找一點,使得到兩點距離和最小,那就是之前提過的問題,注意兩點必須在線的同側。
如果是兩點和一圓,這是有名的阿勒哈森問題(Alhazen’s problem),(阿勒哈森是誰,你可能問物理老師會知道詳情)。這問題的敘述就是:
給定圓C以及圓外(或是圓內)A、B兩點,在圓C上找一點P,使得AP+BP最小。
這條件相當於找P使得∠APC=∠BPC;或是求以A、B為焦點且與圓C相切的橢圓。這個問題已經確定一般情況不能尺規作圖,要用解析方式來解。有興趣的可以參考一個我尊敬的數學老師做的網頁。
附帶說一下,關於這個問題,有個常見的錯誤解法:
作直線CA和CB與圓交於D、E,
連接AE和BD交於F,
作直線CF交圓於P,則P為所求。
這個方法找到的P點若是正確的,那麼會滿足∠APC=∠BPC;
在PA上另外取一點X,顯然以X、B重作一次所得的點不是P,但是原來的P才會滿足∠XPC=∠BPC,得到矛盾。
既然這種情況無法尺規作圖,就猜測跟圓有關的情況,如兩圓一點、兩圓一線、三圓,這三種情況無法尺規作圖。
還有一點一線一圓的情形,作點關於直線的對稱點後,這問題就變成這組對稱點和圓的情況,也就是歸回阿勒哈森問題。
但也不是有圓的都不行。
先看兩線一點的情形,作這個點關於兩線的對稱點,然後連起來和兩線的交點就是。不過要注意這必須點在兩直線所夾銳角的內部,若是點在鈍角部分,顯然不會是解。
接著看兩線一圓的情況,同樣要求這個圓在兩直線所夾銳角的內部。我們可以先選圓上一點,那麼就變成兩線一點的情形;當所選之點在圓上變動時,這個最小周長也會跟著變動。如圖:
這個最小周長就等於A’A”,由對稱性知道OA’=OA”,而且∠A’OA”=2∠XOY,這個角度是固定的,所以A’A”的長度決定於OA的長度,因此當OA最短時,有最小值。
最後是三線的情形,在此有必要將條件加強為三線圍成銳角三角形,所以就變成在銳角三角形三邊上個取一點所成的三角形(或稱為內接三角形)周長最小。
考慮BC上一點D,此時就成兩線一點的情形,由前面可以知道,最小情況在AD垂直BC(也就是D是BC邊的高的垂足點)。同理,AC以及AB上的點也必須是高的垂足點,故最小情況應該是三高的垂足點所成的三角形。附帶一提,這個最小周長就是2AD×sinA。