2003 AIME II 第 6 题

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6.

在 △ABC\triangle ABC 中,AB=13AB = 13、BC=14BC = 14、AC=15AC = 15,点 GG 是三条中线的交点。点 A′A'、B′B'、C′C' 分别是 AA、BB、CC 关于 GG 旋转 180∘180^\circ 后的像。求三角形 ABCABC 和 A′B′C′A'B'C' 所围成的两个区域的并集面积。

In △ABC,\triangle ABC, AB=13,AB = 13, BC=14,BC = 14, AC=15,AC = 15, and point GG is the intersection of the medians. Points A′,A', B′,B', and C′C' are the images of A,A, B,B, and C,C, respectively, after a 180∘180^\circ rotation about G.G. What is the area of the union of the two regions enclosed by the triangles ABCABC and A′B′C′?A'B'C'?

答案:112
知识点:变换重心相似海伦公式
难度评级:2510
小提示:

180∘180^\circ 旋转把每条直线变成一条平行直线,因此两个三角形在中央重叠成一个六边形

The 180∘180^\circ rotation takes each line to a parallel line, so the two triangles overlap in a central hexagon

大提示:

重心位于每条高的 13\frac{1}{3} 处,因此 A′A' 落在距对应边 h3\frac{h}{3}、位于直线 BCBC 外侧的位置;每个伸出的角都与原三角形相似,比例为 13\frac{1}{3}

The centroid sits at 13\frac{1}{3} of each height, so A′A' lands at height h3\frac{h}{3} beyond line BC;BC; each protruding corner is similar to the triangle with ratio 13\frac{1}{3}

解答:

180∘180^\circ 旋转把每条直线变成一条平行直线,因此 △A′B′C′\triangle A'B'C' 与 △ABC\triangle ABC 全等,且对应边平行。把 BCBC 看作水平,设 AA 到它的高为 hh。重心 GG 的高度为 h3\frac{h}{3},所以 A′A' 是 AA 关于 GG 的对称点,其高度为 2⋅h3−h=−h32 \cdot \frac{h}{3} - h = -\frac{h}{3},在线 BCBC 的另一侧,而 B′B' 和 C′C' 的高度为 2h3\frac{2h}{3}。

因此直线 BCBC 从 △A′B′C′\triangle A'B'C' 中切下 A′A' 处的角:切线平行于 B′C′B'C',该角的高 h3\frac{h}{3} 是整个三角形高 hh 的三分之一,所以该角的相似比为 13\frac{1}{3},面积为 19[ABC]\frac{1}{9}[ABC]。△ABC\triangle ABC 的每一边都发生同样的情况,这三个角正好是 △A′B′C′\triangle A'B'C' 在 △ABC\triangle ABC 外面的部分。因此并集面积为 [ABC]+3⋅19[ABC]=43[ABC]。 \begin{aligned} &[ABC] + 3 \cdot \tfrac{1}{9}[ABC] \\ &= \tfrac{4}{3}[ABC] \end{aligned}\text{。}

由海伦公式,s=21s = 21,[ABC]=21⋅8⋅7⋅6=84[ABC] = \sqrt{21 \cdot 8 \cdot 7 \cdot 6} = 84,所以并集面积为 43⋅84=112\frac{4}{3} \cdot 84 = 112。

A 180∘180^\circ rotation takes each line to a parallel line, so △A′B′C′\triangle A'B'C' is congruent to △ABC\triangle ABC with parallel sides. View BCBC as horizontal and let hh be the height of AA above it. The centroid GG is at height h3,\frac{h}{3}, so A′,A', the reflection of AA through G,G, is at height 2⋅h3−h=−h3,2 \cdot \frac{h}{3} - h = -\frac{h}{3}, on the far side of line BC,BC, while B′B' and C′C' are at height 2h3.\frac{2h}{3}.

Line BCBC therefore slices off the corner of △A′B′C′\triangle A'B'C' at A′:A': the cut is parallel to B′C′,B'C', and the corner’s height h3\frac{h}{3} is one third of the triangle’s full height h,h, so the corner is similar with ratio 13\frac{1}{3} and has area 19[ABC].\frac{1}{9}[ABC]. The same happens at each side of △ABC,\triangle ABC, and these three corners are exactly the part of △A′B′C′\triangle A'B'C' outside △ABC.\triangle ABC. Hence the union has area [ABC]+3⋅19[ABC]=43[ABC]. \begin{aligned} &[ABC] + 3 \cdot \tfrac{1}{9}[ABC] \\ &= \tfrac{4}{3}[ABC]. \end{aligned}

By Heron’s formula with s=21,s = 21, [ABC]=21⋅8⋅7⋅6=84,[ABC] = \sqrt{21 \cdot 8 \cdot 7 \cdot 6} = 84, so the union has area 43⋅84=112.\frac{4}{3} \cdot 84 = 112.

第 5 题#5
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