M447. Задача об остроугольном треугольнике

Задача из журнала «Квант»(1977, №6)

Условие

В остроугольном треугольнике $ABC$ отрезки $BO$ и $CO$ (где $O$ — центр описанной окружности) продолжены до пересечения в точках $D$ и $E$ со сторонами $AC$ и $BC$ треугольника. Оказалось, что $\widehat{BDE}=50^{\circ}$, а $\widehat{CED}=30^{\circ}$. Найдите величины углов треугольника $ABC$ и докажите равенства $\left | AE \right |=\left | ED \right |$, $\left | CE \right |=\left | CB \right |$, $\left | CD \right |=\left | CO \right |$.

Решение

Величина угла $A$ находится легко (см. рис. 1): поскольку $\widehat{BOC}=\widehat{EOD}=180^{\circ}-30^{\circ}-50^{\circ}=100^{\circ}$, величина вписанного угла $A=50^{\circ}$. Заметим также, что $\widehat{OBC}=\widehat{OCB}=40^{\circ}$ (поскольку $\left | BO \right |=\left | CO \right |$).

Рис. 1

Рис. 1

Найти величины других углов треугольника $ABC$ можно с помощью теоремы синусов. Положим $\widehat{EBD}=\varphi $. Тогда $\widehat{OEB}=100^{\circ}-\varphi $, $\widehat{ABC}=\varphi +40^{\circ}$, $\widehat{ACB}=90^{\circ}-\varphi $, $\widehat{OCD}=50^{\circ}-\varphi $, $\widehat{ODC}=\varphi +50^{\circ}$; таким образом, $0^{\circ}< \varphi < 50^{\circ}$. Из треугольников $ODE, OBE$ и $OCD$ находим: $$\frac{\sin 50^{\circ}}{\sin 30^{\circ}}=\frac{\left | OE \right |}{\left | OD \right |}=\frac{\left | OE \right |}{\left | OB \right |}\cdot \frac{\left | OE \right |}{\left | OD \right |}=$$ $$=\frac{\sin \widehat{OBE}}{\sin \widehat{OEB}}\cdot \frac{\sin \widehat{ODC}}{\sin \widehat{OCD}}=\frac{\sin \varphi \sin \left ( \varphi +50^{\circ} \right )}{\sin \left ( 100^{\circ} -\varphi \right )\sin \left ( 50^{\circ}-\varphi \right )} .$$ Уравнение, из которого мы должны найти $\varphi \left ( 0^{\circ} < \varphi < 50^{\circ}\right )$: $$\frac{\sin \varphi \sin \left ( \varphi +50^{\circ} \right )}{\sin \left ( 100^{\circ} -\varphi \right )\sin \left ( 50^{\circ}-\varphi \right )} = 2\sin 50^{\circ},$$ эквивалентно следующим: $$2\sin 50^{\circ}\left ( \cos 50^{\circ} -\cos \left ( 150^{\circ} -2\varphi \right ) \right ) =\cos 50^{\circ}-\cos \left ( 50^{\circ}+2\varphi \right ),$$ $$\sin 20^{\circ}-\sin\left ( 2\varphi -40^{\circ} \right )+2\sin 50^{\circ}\cos \left ( 2\varphi +30^{\circ} \right )=0,$$ $$\cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )\sin \left ( 30^{\circ}-\varphi \right )+\sin 50^{\circ}\sin \left ( 60^{\circ}-2\varphi \right )=0,$$ $$\sin\left ( 30^{\circ} -\varphi \right )\left ( \cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )+2\sin 50^{\circ}\cos \left ( 30^{\circ}-\varphi \right ) \right )=0.$$ Поскольку $\cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )$ и $\cos \left ( \varphi -30^{\circ} \right )$ положительны при $0^{\circ}< \varphi < 50^{\circ}$, последнее уравнение имеет единственный корень $\varphi =30^{\circ}$.

Отсюда $\widehat{ABC}=70^{\circ}$, $\widehat{ACB}=60^{\circ}$/

Далее, $\widehat{BEC}=70^{\circ}\Rightarrow \left | CE \right |=\left | CB \right |;$ $$\widehat{ODC}=80^{\circ}\Rightarrow \left | CD \right |=\left | CO \right |;~\widehat{ADE}=50^{\circ}\Rightarrow \left | EA \right |=\left | ED \right |.$$

Равенства длин, которые требуется установить в задаче, подсказывают, какие углы должен иметь треугольник $ABC$. Но даже зная ответ, придумать данное выше тригонометрическое решение трудно. Вместо этого можно рассуждать иначе.

Рис. 2

Рис. 2

Заметим прежде всего, что условия $\widehat{OED}=30^{\circ}, \widehat{ODE}=50^{\circ}$ определяют ответ однозначно. Действительно (рис. 2), если на окружности с центром $O$ закрепить точки $B$ и $C$ так, что $\widehat{BOC}=100^{\circ}$, и перемещать точку $A$ по дуге ${B}'{C}’$ (симметричной дуге $BC$) от точки ${B}’$ к точке ${C}’$, то точка $D\in \left [ {B}’O \right ]$ будет приближаться к $O$, а $E\in \left [ O{C}’\right ]$ — удаляться от $O$; при этом величина угла $\widehat{ODE}$ будет возрастать, а угла $\widehat{OED}$ — убывать; значит, только при одном положении $A$ эти величины могут принять нужные значения ($50^{\circ}$ и $30^{\circ}$).

Рис. 3

Рис. 3

Теперь нужно лишь доказать, что треугольник с углами $\widehat{A}=50^{\circ}$, $\widehat{B}=70^{\circ}$, $\widehat{C}=60^{\circ}$ удовлетворяют условию, то есть что все углы — такие, как указано на рисунке 3:

  1. Достаточно проверить, что $DE$ — биссектриса угла $ADB$: $$\frac{\left | AE \right |}{\left | EB \right |}=\frac{\left | AE \right |}{\left | EC \right |}=\frac{\left | EC \right |}{\left | EB \right |}=\frac{\sin 20^{\circ}\sin 70^{\circ}}{\sin 50^{\circ}\sin 40^{\circ}}=$$ $$\frac{2\sin 20^{\circ}\cos 20^{\circ}}{2\sin 50^{\circ}\sin 40^{\circ}}=\frac{\sin 30^{\circ}}{\sin 50^{\circ}}=\frac{\left | AD \right |}{\left | DB \right |}.$$
    Здесь мы снова используем теорему синусов. А вот чисто геометрическое доказательство.
  2. Рис. 4

    Рис. 4

  3. Треугольник $ECB$ имеет ось симметрии, поскольку $\widehat{CEB}=\widehat{CBE}$. Пусть $K$ — точка, симметричная точке $O$ относительно этой оси (рис. 4). Тогда треугольник $KCD$ равносторонний ($\left | KC \right |=\left | OC \right |=\left | DC \right |=a,~\widehat{KCD}=60^{\circ}$), и потому $\left | KD \right |=a,~\widehat{DKC}=\widehat{KDC}=60^{\circ}$, а $\bigtriangleup KBE\cong \bigtriangleup OEB$, и потому $
    \widehat{BEK}=30^{\circ},~\widehat{EKB}=80^{\circ},~\left | EK \right |=\left | OB \right |=a$. Итак, треугольник $EKD$ равнобедренный, $\widehat{EKD}=40^{\circ}$, поэтому $\widehat{KED}=\widehat{KDE}=70^{\circ},$ $\widehat{ODE}=70^{\circ}- \widehat{ODK}=70^{\circ}-\left ( 80^{\circ} -60^{\circ}\right )=50^{\circ},$ $\widehat{OED}=70^{\circ}-40^{\circ}=30^{\circ}.$

Н. Васильев,
Я. Суконник

Определение и свойства кратного интеграла Римана

Необходимые понятия

Разбиения

Пусть множество $G$ измеримо по Жордану в $\mathbb{R}^{n}$. Совокупность измеримых по Жордану в $\mathbb{R}^{n}$ и попарно непересекающихся множеств $G_{1}, …, G_{N}$ называется разбиением $G$, если $G=\bigcup_{i=1}^{N}G_{i}.$ Разбиение будем обозначать буквой $T$.

Пусть $d\left ( G_{i} \right )$ есть диаметр множества $G_{i}$, т. е. $$d\left ( G_{i} \right )=\underset{x\in G_{i}, y\in G_{i}}{\sup}\rho \left ( x,y \right ).$$

Число $l\left ( T \right )=\underset{i=\overline{1,N}}{\max d\left(G_{i} \right )}$ будем называть мелкостью разбиения $T$.

Разбиение $T=\left \{ G_{i} \right \},$ $i=\overline{1,N}$, будем называть продолжением разбиения $ {T}’=\left \{ {G}’_{i} \right \},$ $i=\overline{1,N}$, и писать $T\prec{T}’$, если каждое из множеств $G_{i}$ является подмножеством некоторого множества ${G}’_{k}$. Очевидно, что из $T\prec{T}’$ следует, что $l\left ( T \right )\leq l\left ( {T}’ \right )$.

Интегральные суммы Римана. Суммы Дарбу

Пусть функция $f\left ( x \right )$ определена на измеримом по Жордану множестве $G$, а $T$ есть разбиение множества $G:~ T=\left \{ G_{i} \right \}, i=\overline{1,N}.$ Возьмем в каждом из множеств $G_{i}$ по точке $\xi _{i}$. Выражение $$\sigma _{T}\left ( f, \xi, G\right )=\sum_{i=1}^{N}f\left ( \xi _{i} \right )m\left ( G_{i} \right)$$ называется интегральной суммой Римана функции $f\left ( x \right )$ на множестве $G$, соответствующей разбиению $T$ и выборке $\xi =\left ( \xi _{1}, …, \xi _{N} \right )$. Иногда для краткости сумма Римана обозначается просто через $\sigma _{T}$.

Если функция $f\left ( x \right )$ ограничена на множестве $G$, то для любого разбиения $T=\left \{ G_{i} \right \}, i=\overline{1,N}$, определены числа $$m_{i}=\underset{x\in G_{i}}{\inf}f\left ( x \right ), ~~M_{i}=\underset{x\in G_{i}}{\sup }f\left ( x \right ).$$

Выражения $$S_{T}=\sum_{i=1}^{N}M_{i}m\left ( G_{i} \right ),~~s_{T}=\sum_{i=1}^{N}m_{i}m\left ( G_{i} \right )$$ называются верхней и нижней суммами Дарбу, соответствующими разбиению $T$.

Определение

Число $I$ называется пределом интегральной суммы $\sigma _{T}$ при мелкости разбиения $l\left ( T \right )\rightarrow 0$, если для любого $\varepsilon > 0$ найдется $\delta > 0$ такое, что для любого разбиения $T$ с мелкостью $l\left ( T \right )< \delta $ и для любой выборки выполняется неравенство $$\left | I-\sigma _{T}\left ( f, \xi , G \right ) \right |< \varepsilon.$$

Если число $I$ есть предел интегральной суммы при $l\left ( T \right )\rightarrow 0$, то будем писать $I=\underset{l\left ( T \right )\rightarrow 0}{\lim }\sigma _{T}$, само число $I$ будем называть кратным интегралом Римана от функции $f\left ( x \right )$ по множеству $G$, а функцию $f\left ( x \right )$ — интегрируемой на множестве $G$. Для кратного интеграла Римана используются следующие обозначения: $$\underset{G}{\int}f\left(x\right)dx,~~\underset{n}{\underbrace{\underset{G}{\int…\int }}}f\left ( x_{1}, …, x_{n} \right )dx_{1}…dx_{n}.$$

В случае $n=2$ интеграл называется двойным, а в случае $n=3$ — тройным. Обозначения для двойного и тройного интеграла: $$\underset{G}{\iint}f\left ( x,y \right )dxdy,~~\underset{G}{\iiint} f\left ( x,y,z \right)dxdydz.$$

Свойства кратного интеграла

Свойство 1.
Справедливо равенство $\underset{G}{\int}1\cdot dx=m\left ( G \right )$.

Доказательство показать
Свойство 2.
Если $f\left ( x \right )> 0$ и $f\left ( x \right )$ — интегрируемая на измеримом по Жордану множестве $G$ функция, то $\underset{G}{\int }f\left ( x \right )dx\geq 0$.

Доказательство показать
Свойство 3.
Если $f_{1}\left ( x \right )$ и $f_{2}\left ( x \right )$ — интегрируемые на множестве $G$ функции, а $\alpha$ и $\beta$ — произвольные вещественные числа, то и функция $\alpha f_{1}\left ( x \right )+\beta f_{2}\left ( x \right )$ интегрируема на $G$, причем $$\underset{G}{\int }\left ( \alpha f_{1}\left ( x \right ) + \beta f_{2}\left ( x \right ) \right )dx=$$ $$=\alpha \underset{G}{\int }f_{1}\left ( x \right )dx+\beta \underset{G}{\int }f_{2}\left ( x \right )dx.$$

Доказательство показать
Свойство 4.
Если $f_{1}\left ( x \right )$ и $f_{2}\left ( x \right )$ — интегрируемые на множестве $G$ функции и $f_{1}\left ( x \right )\leq f_{2}\left ( x \right )$ при $x\in G$, то $$\underset{G}{\int }f_{1}\left ( x \right )dx\leq \underset{G}{\int }f_{2}\left ( x \right )dx.$$

Доказательство показать
Свойство 5.
Если функция $f\left ( x \right )$ непрерывна на измеримом связном компакте $G$, то найдется точка $\xi \in G$ такая, что $$\underset{G}{\int }f\left ( x\right )dx=f\left ( \xi \right )m\left ( G \right ).$$

Доказательство показать
Свойство 6.
Если $\left \{ G_{k} \right \}, k=\overline{1,m}$, есть разбиение множества $G,$ то функция $f\left ( x \right )$ интегрируема на множестве $G$ в том и только том случае, когда она интегрируема на каждом из множеств $G_{k},$ причем $$\underset{G}{\int}f\left ( x \right )dx= \sum_{k=1}^{m}\underset{G_{k}}{\int}f\left ( x \right )dx.$$
Свойство 7.
Произведение интегрируемых на измеримом множестве $G$ функций есть интегрируемая на множестве $G$ функция.

Доказательство показать
Свойство 8.
Если функция $f\left ( x \right )$ интегрируема на измеримом множестве $G$, то функция $\left | f\left ( x \right ) \right |$ также интегрируема и $$\left | \underset{G}{\int}f\left ( x \right )dx \right |\leq \underset{G}{\int }\left | f\left ( x \right ) \right |dx.$$

Доказательство показать

Примеры

Пример 1

Определить какой знак имеет интеграл $\underset{x^2+y^2\leq 4}{\iint}\sqrt[3]{1-x^2-y^2}dxdy.$

Исследование показать

Пример 2 (вычисление площади плоской фигуры с помощью двойного интеграла)

Вычислить площадь фигуры, занимающей область $D$, ограниченную линиями $x=y^2$ и $x+y=2$.

Решение показать

Пример 3 (вычисление объема с помощью двойного интеграла)

Пусть цилиндрический брус ограничен сверху непрерывной поверхностью $z=f\left (x,y \right)$, снизу — плоскостью $z=0$, с боков — цилиндрической поверхностью с образующими, параллельными оси $Oz$. Если указанная цилиндрическая поверхность вырезает из плоскости $Oxy$ квадрируемую замкнутую область $D$, то объем $V$ бруса вычисляется по формуле: $$V=\underset{D}{\iint}f\left ( x,y \right )dxdy.~~(**)$$

Найти объем тела, ограниченного поверхностями: $$z=x^2+y^2,~y=x^2,~y=1,~z=0.$$

Решение показать

Кратный интеграл Римана

Тест: Кратный интеграл Римана.