M1421

Задача о неравенстве выпуклого четырехугольника

Условие

  1. В выпуклый четырехугольник ABCD, у которого углы при вершинах B и D — прямые, вписан четырехугольник с периметром P (его вершины лежат по одной на сторонах четырехугольника ABCD). Докажите неравенство P \geqslant  2BD
  2. В каких случаях это неравенство превращается в равенство?

Решение

  1. Пусть EFKL — четырехугольник, вписанный в ABCD (см рис.). Обозначим через M и N середины отрезков EF и KL соответсвенно. Мы докажем неравенство задачи в более общем случае : \angle B \geq \frac{\pi}{2} , \angle D \geq \frac{\pi}{2}.
    При этом

    BM \leq  \frac{1}{2}EF , DN \leq\frac{1}{2}KL
    (*)

    Далее, так как \vec{MN }=\frac{1}{2}\left (  \vec{EK} +\vec{FL}\right ) , то

    \left | \vec{MN}  \right | \leq \frac{1}{2}\left ( EK+FL \right ).
    (**)

    Поскольку BM+MN+ND+ND \geq BD.
    получаем из (*), (**) неравенство задачи.

  2. Равенство (*) имеет место, если \angle B=\frac{\pi}{2}, \angle D=\frac{\pi}{2}.
    Неравенство (**) переходит в равенство, если EK||FK||MN. Кроме этого, в случае равенства точки B,M,N,D лежат на одной прямой.
    Из вышесказанного получаем следующий способ построения всех четырехугольников, для которых неравенство задачи превращается в равенство.
    Пусть O - точка пересечения AC и BD, AO \leq OC. Проведем через произвольную точку отрезка AO прямую EK, параллельную BD\left ( E\in AB, K \in AD \right ) . Симметрично отобразив прямую EK относительно BD, получим противоположную сторону FL четырехугольника.

Г. Нерсисян

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *