蝴蝶定理

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蝴蝶定理（Butterflytheorem），是古典欧式平面几何的最精彩的结果之一。这个命题最早出现在1815年，而“蝴蝶定理”这个名称最早出现在《美国数学月刊》1944年2月号，由于其几何图形形象奇特，貌似蝴蝶，便以此命名。蝴蝶定理（Butterfly Theorem）：设M为圆内弦PQ的中点，过M作弦AB和CD。射影几何里面关于投影变换有一个重要结论，对于平面上任意两个圆锥曲线C1,C2.任意指定C1内部一个点A1和C1上面一个点B1,另外任意指定C2内部一个点A2和C2上面一个点B2,存在一个唯一投影变换将曲线C1变换到C2而且A1变换到A2,B1变换到B2.

基本信息

• 中文名：蝴蝶定理
• 外文名：Butterfly Theorem
• 别称：蝴蝶原理
• 表达式：XM=MY
• 提出者：W.G.霍纳
• 提出时间：1815年
• 应用学科：科学，数学，物理等
• 适用领域范围：理科，几何

定义

蝴蝶定理（Butterfly Theorem）：设M为圆内弦PQ的中点，过M作弦AB和CD。设AD和BC各相交PQ于点X和Y，则M是XY的中点。

正在加载蝴蝶定理的证明

去掉中点的条件，结论变为一个一般关于有向线段的比例式，称为“坎迪定理”， 不为中点时满足:1/MY-1/MX=1/MQ-1/MP ,这对2，3均成立。

验证

方法1（霍纳证法）

过O作OL⊥ED，OT⊥CF，垂足为L、T，

连接ON，OM，OS，SL，ST，易明△ESD∽△CSF

正在加载霍纳证法

∴ES/CS=ED/FC

根据垂径定理得：LD=ED/2，FT=FC/2

∴ES/CS=EL/CT

又∵∠E=∠C

∴△ESL∽△CST

∴∠SLN=∠STM

∵S是AB的中点所以OS⊥AB

∴∠OSN=∠OLN=90°

取OM中点X，在Rt△MTO和△OSM中，TX=OX=MX=SX

∴O，S，N，L四点共圆，（一中同长）

同理，O，T，M，S四点共圆

∴∠STM=∠SOM，∠SLN=∠SON

∴∠SON=∠SOM

∵OS⊥AB

∴MS=NS

方法2

正在加载蝴蝶定理的证明

从X向AM和DM作垂线，设垂足分别为X'和X''。类似地，从Y向BM和CM作垂线，设垂足分别为Y'和Y''。

（证明过程见图片）

正在加载证明方法二

方法3（对称法）

正在加载对称证法

（证明过程见图片）

方法4

正在加载面积法

（证明过程见图片）

方法5

（同方法2图）此方法也可证明蝴蝶定理的一般形式：坎迪定理

连接CO、EO并延长分别交圆O于I、J，连接IF、DJ交于K，

连接GK、HK。由帕斯卡定理得：M、O、K共线

∵M为AB中点 ∴KM⊥AB∴∠GMK=∠HMK=90°

又∵CI、EJ为⊙O直径 ∴∠GFK=∠HDK=90°

又∵∠GMK=∠HMK=90° ∴∠GMK+∠GFK=∠HMK+∠HDK=90°+90°=180°，

∴G、F、K、M共圆，H、D、K、M共圆 ∴∠GKM=∠GFM，∠MKH=∠MDH

又∵∠GFM=∠MDH ∴∠GKM=∠MKH 又∵∠GMK=∠HMK=90°

∴△GMK≡△HMK（ASA）∴GM=MH

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推广

该定理实际上是射影几何中一个定理的特殊情况，有多种推广：M，作为圆内弦是不必要的，可以移到圆外。

蝴蝶定理的圆外形式：

正在加载圆外蝴蝶定理

如图，延长圆O中两条弦AB与CD交于一点M，过PM做OM垂线，垂线与CB和AD的延长线交于E、F，则可得出ME=MF（证明方法可参考蝴蝶定理的证法2、3、4）

1.在椭圆中

正在加载椭圆中的蝴蝶定理

如图一，椭圆的长轴A、A与x轴平行，短轴BB在y轴上，

中心为M(o，r)（b>r>0）。

（I）写出椭圆的方程，求椭圆的焦点坐标及离心率

（II）直线y=kx交椭圆于两点C（x,y）,D(x，y)（y>0）；直线y=kx交椭圆于两点G（x，y），H（x，y）（y>0）。求证：kxx/(x+x)=kxx/(x+x)

（III）对于（Ⅱ）中的C，D，G，H，设CH交X轴于点P，GD交X轴于点Q。

求证： | OP | = | OQ |。（证明过程不考虑CH或GD垂直于X轴的情形）

从x向AM和DM作垂线，设垂足分别为X'和X''。

类似地，从Y向BM和CM作垂线，设垂足分别为Y'和Y'

正在加载证明过程图片

设：k1x1x2/(x1+x2)=k2x3x4/(x3+

x4)为①式，两边同取倒数，得为

1/k1x2+1/k1x1=1/k2x4+1/k2x3 ①’

设：x1x4/(k1x1-k2x4)=-x2x3/(k1x2-k2x3)为 ②式，两边同取倒数，得k1/x4-k2/x1=k2/x2-k1/x3，移项得k2/x1+k2/x2=k1/x3+k1/x4 ②’

将①’两边同乘以k1·k2，即得

k2/x1+k2/x2=k1/x3+k1/x4

它与②’完全一样。这里利用两式同时变形的方法可以较容易实现目的，有分析、有综合，有思维，有运算。思路的选择有赖于对式子特征的观察联想。

纵观这道题的题目特征及解答过程，我们看到了用代数方程方法处理几何问题的作用与威力。

2.在圆锥曲线中

通过射影几何，我们可以非常容易的将蝴蝶定理推广到普通的任意圆锥曲线（包括椭圆，双曲线，抛物线，甚至退化到两条相交直线的情况）。

圆锥曲线C上弦PQ的中点为M，过点M任作两弦AB，CD，弦AD与BC分别交PQ于X，Y，则M为XY之中点。

而通过投影变换可以非常容易证明这个定理。

射影几何里面关于投影变换有一个重要结论，对于平面上任意两个圆锥曲线C1,C2.任意指定C1内部一个点A1和C1上面一个点B1,另外任意指定C2内部一个点A2和C2上面一个点B2,存在一个唯一投影变换将曲线C1变换到C2而且A1变换到A2,B1变换到B2.

由此对于本题，我们可以通过投影变换将C1变换成一个圆M，而将弦PQ的中点M变换成这个圆的圆心。

在此变换以后，弦AB和CD都是圆M的直径而且四边形ACBD是圆M内接矩形，PQ也是一条直径，有对称性显然得出投影变换后M为X,Y的中点。又因为变换前后M都是线段PQ的中点，我们可以得出在直线PQ上这个变换是仿射变换，所以变换前M也是XY的中点。

3.在平行四边形中

在平行四边形中，，M为对角线AB与CD中点。

4.坎迪定理

去掉中点的条件，结论变为一个一般关于向量的比例式，成为「坎迪定理」，这对2，3均成立