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关于三角形内接三角形的最小周长构造与最小部分周长的技术问询

关于三角形内接三角形的最小周长构造与最小部分周长的技术问询

嘿,这个问题抓得特别准——Courant & Robbins的《What is Mathematics》里经常把一些需要细究的几何直觉直接当“显然”,我当初读Schwarz这段证明的时候也对这个假设存疑过。咱们一步步拆解:


一、最小周长内接三角形是否同时最小化所有“部分周长”?

答案是否定的,我们可以构造一个简单的反例:

取一个钝角等腰三角形ABC,其中∠A=170°(接近平角),AB=AC=10,BC≈19.92(由余弦定理计算可得)。对于这个原三角形,Schwarz的最小周长内接三角形是旁垂足三角形(因为原三角形是钝角,普通垂足三角形有一个顶点在外部,无法作为内接三角形),它的周长是所有内接三角形中最小的。但观察它的三边:靠近钝角顶点A的那条边会非常短,另外两条边则比较长。

现在考虑另一个内接三角形D'E'F':让E'=C,F'=B,D'是BC的中点。这个三角形的周长≈9.96+9.96+19.92=39.84,远大于Schwarz三角形的周长,但它的部分周长D'E'+D'F'≈19.92,比Schwarz三角形中两条长边的和(≈20)更小。

换句话说,最小周长的内接三角形,只有**最长边对应的两边之和(周长减最长边)**是最小的,其他两边之和(周长减较短边)不一定是最小的——甚至可能比某些周长更大的三角形的对应部分周长要大。


二、如何刻画最小化“部分周长”的内接三角形?

假设我们要最小化的是内接三角形DEF的某一组两边之和(比如DE+EF,对应周长减FD),可以通过几何反射法推导极值条件:

  1. 固定E点时,将D关于AC反射得到D₁,那么DE=D₁E,DE+EF=D₁E+EF≥D₁F,当且仅当E在D₁F与AC的交点时取等;
  2. 再将D₁关于AB反射得到D₂,D₁F=D₂F,此时要最小化D₂F,最优解是让F为D₂到AB的垂足。

最终,非退化内接三角形(顶点在原三角形边的内部)的极值情况是:

  • 要最小化某一组两边之和,等价于让第三边尽可能长,同时将这组边的两个顶点尽可能靠近原三角形的对应顶点。比如要最小化DE+EF,就让FD边尽可能接近原三角形的BC边长度,同时E、F分别靠近C、B点。

如果允许退化(顶点与原三角形顶点重合),最小的部分周长就是原三角形对应边的长度(比如DE+EF的最小值就是BC的长度,当E=C、F=B、D=C时),但这已经不是严格意义上的内接三角形了。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者David

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