球幂定理

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  球幂的定义:一点P对半径为R的球O的幂为:OP2-R2 ,即:(點P与球O的球心点0的距离的平方)与(球的半径平方)的差.
  证明:
  点A,B,C,D,E,F共球(1)设点P为球O内一点 ,过点P作直线分别交球于A,B,C,D,E,F…….则面ABCD,面ABEF,面CDEF,……分别与球O相交,且相交线为一个圆.
  因为面ABCD交球O得一个圆.
  根据相交弦定理得:PA
  PD因为面ABEF交球O得一个圆.
  根据相交弦定理得:PA
  PB=PE
  PF.
  因为面CDEF交球O得一个圆.
  根据相交弦定理得:
  PC
  PD=PE
  PF.
  自点P引直线过球心点0,交球于点G,H,令PH>PG,
  则:PH=OP R,PG=R-OP.
  因为面ABGH交球O得一个圆,根据相交弦定理得,
  PA
  PB=PH
  PG=(R OP)(R-OP)=R2-OP2.
  因为点P在球内所以R>OP,即R2-OP2>0.
  即PA
  PB=PC
  PD=PE
  PF=PG
  PF=…=R2-OP2.
  也就是说在球内的一点引一条直线与球相交于两点.这点与球两个交点线段的长度的乘积为一定值.大小为(球半径的平方)与(该点与球心距离的平方)的差.
  (2)设点P在球上.则OP=R,
  OP2-R2=0,根据球幂定义,恒为零.
  (3)设点P在球外.自点P引切线交球O于T,
  自点P引割线交球O于A1B1,C1D1,E1F1…….
  因为直线PT与球O相切
  (点T,A1,B1,C1,D1,E1,F1共球)所以:
  直线PT与(球O与面PTA1B1相交的圆)相切.
  直线PT与(球O与面PTC1D1相交的圆)相切.
  直线PT与(球O与面PTE1F1相交的圆)相切.
  根据切割线定理,得:
  PT2=PA1·PB1,PT2=PC1·PD1,PT2=PE1·PF1,
  自点P引直线过球心点0,交球于点G1,H1,设PH>PG,则PH1=R OP,PG1=OP-R.
  根据切割线定理,则PT2=PH·PG=OP2-R2,
  因为点P在球外,则OP>R
  即OP2-R2>0.
  (4)点P在球O的外部,自点引割线交球O于点A2B2,C2D2,E2F2…….
  因为任意平面与球相交的曲线都是圆.
  所以面A2B2C2D2 交球O的曲线是圆.
  面A2B2E2F2 交球O的曲线是圆.
  面C2D2E2F2 交球O的曲线是圆.
  (点A2B2C2D2E2F2共球)
  根据割线定理,则
  PA2·PB2=PC2·PD2 PA2·PB2=PE2·P2F PC2·PD2=PE2·PF…….
  自点P引直线过球心,交球于点G2,H2.设PH2>PG2,
  则PH2=OP R,PG2=OP-R.
  因为面A2B2G2H2交球O的曲线是圆,则根据割线定理
  PA2·PB2=PG2·PH2=OP2-R2.
  因为点P在球外,则OP>R,即OP2-R2>0.
  根据(1)(2)(3)(4)得,在三维空间中,空间中的一点,与球的球心的距离,(设为d)(设球的半径为R),自该点任意引直线交球于两点.
  则该点与两交点的距离乘积恒为定值.大小为(d2-R2).
  圆幂定理是球幂定理,在一个平面中的特例.
  若该点在球内,则该点的球幂为负.
  在球上,恒为零.
  在球外,球幂为正.
  球幂定理将圆幂定理中的相交弦定理,切割线定理,割线定理都推广到三维空间,在本质上,揭示了点与球(点与球相交线段)的关系,把平面几何与立体几何完美的统一在一起.
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