埃尔德什－莫德尔不等式

埃尔德什-莫德尔不等式可以认为是几何学中的欧拉定理的一个推广。欧拉定理声称三角形外接圆的半径总是大于或等于内切圆半径的两倍。

历史

该不等式最早由埃尔德什在1935年在《美国数学月刊》上提出，作为第3740号问题。两年之后，由路易斯·莫德尔和D.F.巴罗证明。1957年，卡扎里诺夫提出了一个更简捷的证明。之后不断有更简洁、更基本的证明出现。1958年班考夫（Bankoff）给出了运用正交投影和相似三角形的证明，1997年和2004年出现了使用面积不等式的证明，1993年和2001年发现了根据托勒密定理的证明。

证明

如右图，O为三角形ABC中的一个点。O到三角形三边的垂线分别交三条边于D、E、F。设线段 OA、 OB、 OC 的长度分别是 x、 y、 z，线段 OD、 OE、 OF 的长度分别是 p、 q、 r，那么埃尔德什-莫德尔不等式为： x+y+z≥ 2(p+q+r)

一个初等的证明方式是使用三角函数以及均值不等式。

首先，由于 OF 垂直于 AF， OE 垂直于 AE，A、F、O、E四点共圆且 OA 为直径，因此线段 EF=OAsin A=xsin A （角A为顶点A对应的内角）。

过点F、E作关于 BC 的垂线交 BC 于X、Y。过O作 BC 的平行线分别交 FX、 EY 于 U、 V。由于 OF 垂直于 AF， OE 垂直于 AE， ∠ UFO=∠ B， ∠ VEO=∠ C。于是： UV=UO+OV=OFsin ∠ UFO+OEsin ∠ VEO=rsin B+qsin C

另一方面，注意到在直角梯形中 FUVE 中，斜腰 EF 的长度大于等于直角腰 UV。因此： xsin A=EF≥ UV=rsin B+qsin C

x≥ r(sin B)/(sin A)+q(sin C)/(sin A)

类似地，还有： y≥ r(sin A)/(sin B)+p(sin C)/(sin B)， z≥ p(sin B)/(sin C)+q(sin A)/(sin C)

三式相加，得到： （公式略）

根据算几不等式， ((sin B)/(sin A)+(sin A)/(sin B))≥ 2，等等，于是最终得到： x+y+z≥ 2(p+q+r)

这就是埃尔德什-莫德尔不等式。

从证明中可以看到，等号取得的充要条件是 sin A=sin B=sin C 以及 OA⊥ EF,OB⊥ FD,OC⊥ DE，也就是说不等式中的等号成立当且仅当三角形是等边三角形以及 P 为三角形中心。