3. 【综合与实践】
(1)如图①,在等腰三角形 $ ABC $ 中,$ AB = AC $,$ P $ 为底边 $ BC $ 上任意一点,点 $ P $ 到两腰的距离分别为 $ r_1 $,$ r_2 $,腰上的高为 $ h $。试猜想 $ r_1 $,$ r_2 $,$ h $ 之间的数量关系,并说明理由。
(2)如图②,把“等腰三角形”改成“等边三角形”,点 $ P $ 的位置可以由“在底边上任一点”改为“在三角形内任一点”,题设条件变为:已知等边三角形 $ ABC $ 内任意一点 $ P $ 到各边的距离分别为 $ r_1 $,$ r_2 $,$ r_3 $,等边三角形 $ ABC $ 的高为 $ h $。试猜想 $ r_1 $,$ r_2 $,$ r_3 $,$ h $ 之间的数量关系,并说明理由。
(3)适当改变(1)中的条件,你还能提出什么问题?请解答并说明理由。

(1)如图①,在等腰三角形 $ ABC $ 中,$ AB = AC $,$ P $ 为底边 $ BC $ 上任意一点,点 $ P $ 到两腰的距离分别为 $ r_1 $,$ r_2 $,腰上的高为 $ h $。试猜想 $ r_1 $,$ r_2 $,$ h $ 之间的数量关系,并说明理由。
(2)如图②,把“等腰三角形”改成“等边三角形”,点 $ P $ 的位置可以由“在底边上任一点”改为“在三角形内任一点”,题设条件变为:已知等边三角形 $ ABC $ 内任意一点 $ P $ 到各边的距离分别为 $ r_1 $,$ r_2 $,$ r_3 $,等边三角形 $ ABC $ 的高为 $ h $。试猜想 $ r_1 $,$ r_2 $,$ r_3 $,$ h $ 之间的数量关系,并说明理由。
(3)适当改变(1)中的条件,你还能提出什么问题?请解答并说明理由。
答案
(1)猜想:$ r_1 + r_2 = h $。
理由:连接 $ AP $,$ S_{△ ABC} = S_{△ ABP} + S_{△ ACP} $。设 $ AB = AC = a $,则 $ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ ABP} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ ACP} = \frac{1}{2}ar_2 $。
$\therefore \frac{1}{2}ah = \frac{1}{2}ar_1 + \frac{1}{2}ar_2$,化简得 $ r_1 + r_2 = h $。
(2)猜想:$ r_1 + r_2 + r_3 = h $。
理由:连接 $ PA, PB, PC $,$ S_{△ ABC} = S_{△ PAB} + S_{△ PBC} + S_{△ PCA} $。设等边三角形边长为 $ a $,则 $ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ PAB} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ PBC} = \frac{1}{2}ar_2 $,$ S_{△ PCA} = \frac{1}{2}ar_3 $。
$\therefore \frac{1}{2}ah = \frac{1}{2}ar_1 + \frac{1}{2}ar_2 + \frac{1}{2}ar_3$,化简得 $ r_1 + r_2 + r_3 = h $。
(3)问题:在等腰三角形 $ ABC $ 中,$ AB = AC $,点 $ P $ 为底边 $ BC $ 延长线上任意一点,点 $ P $ 到两腰的距离分别为 $ r_1, r_2 $,腰上的高为 $ h $,求 $ r_1, r_2, h $ 之间的数量关系。
解答:$ r_1 - r_2 = h $(或 $ |r_1 - r_2| = h $)。
理由:连接 $ AP $,设 $ AB = AC = a $,$ S_{△ ABP} = S_{△ ABC} + S_{△ ACP} $。
$ S_{△ ABP} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ ACP} = \frac{1}{2}ar_2 $。
$\therefore \frac{1}{2}ar_1 = \frac{1}{2}ah + \frac{1}{2}ar_2$,化简得 $ r_1 - r_2 = h $。
理由:连接 $ AP $,$ S_{△ ABC} = S_{△ ABP} + S_{△ ACP} $。设 $ AB = AC = a $,则 $ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ ABP} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ ACP} = \frac{1}{2}ar_2 $。
$\therefore \frac{1}{2}ah = \frac{1}{2}ar_1 + \frac{1}{2}ar_2$,化简得 $ r_1 + r_2 = h $。
(2)猜想:$ r_1 + r_2 + r_3 = h $。
理由:连接 $ PA, PB, PC $,$ S_{△ ABC} = S_{△ PAB} + S_{△ PBC} + S_{△ PCA} $。设等边三角形边长为 $ a $,则 $ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ PAB} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ PBC} = \frac{1}{2}ar_2 $,$ S_{△ PCA} = \frac{1}{2}ar_3 $。
$\therefore \frac{1}{2}ah = \frac{1}{2}ar_1 + \frac{1}{2}ar_2 + \frac{1}{2}ar_3$,化简得 $ r_1 + r_2 + r_3 = h $。
(3)问题:在等腰三角形 $ ABC $ 中,$ AB = AC $,点 $ P $ 为底边 $ BC $ 延长线上任意一点,点 $ P $ 到两腰的距离分别为 $ r_1, r_2 $,腰上的高为 $ h $,求 $ r_1, r_2, h $ 之间的数量关系。
解答:$ r_1 - r_2 = h $(或 $ |r_1 - r_2| = h $)。
理由:连接 $ AP $,设 $ AB = AC = a $,$ S_{△ ABP} = S_{△ ABC} + S_{△ ACP} $。
$ S_{△ ABP} = \frac{1}{2}ar_1 $,$ S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ah $,$ S_{△ ACP} = \frac{1}{2}ar_2 $。
$\therefore \frac{1}{2}ar_1 = \frac{1}{2}ah + \frac{1}{2}ar_2$,化简得 $ r_1 - r_2 = h $。
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