用導數法證明費馬點性質
費馬點是指三角形ABC內部一點P,使得∠PAB=∠PAC=∠PBC=120°。
其性質之一是:P為平面內任意一點,當f=PA+PB+PC取得最小值時,P點為三角形ABC的費馬點。
欲證明此性質,幾何法、代數法皆不易。
目前筆者根據偏導數的極值定理,可以證明此性質。所謂偏導數的極值定理,是:多元函數取得極值時,多元函數對各個變數求導數皆等於0。欲進一步證明它是極小值、極大值,須求其二階導數,此處略。
在三角形中,有:dBC/dAB=(AB-AC*cosA)/BC=cos∠ABC
詳見筆者另一篇文章hugohealth:三角形餘弦定理的導數形式
f=PA+PB+PC,設f=f(PA,PB,PC)
當PA、PB取定時,PC亦取定。即f是一個二元函數。顯然f有下界,無上界。
當f取得極值時,以上三式皆為0。其實只需要兩式為0.由輪換對稱可得三式為0.
由三式為0,解三元一次方程可得cos∠APB=cos∠APC=cos∠BPC=-0.5
故當f取得極值時,∠PAB=∠PAC=∠PBC=120°
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