М664. О равенстве площадей некоего четырёхугольника и четырёхугольника, построенного на точках пересечения высот треугольников, вершины которых— вершины исходного четырёхугольника

Задача из журнала «Квант» (1981 год, 1-й выпуск)

Условие

Дан четырехугольник $ABCD$ площади $S$. Обозначим точки пересечения высот треугольников $ABC$, $BCD$, $CDA$, $DAB$ через $H$, $K$, $L$, $M$ соответственно. Докажите, что площадь четырехугольника $HKLM$ тоже равна $S$.

Решение

Самое простое аналитическое решение этой задачи получается с помощью операции псевдоскалярного произведения векторов: $\vec{a}\wedge\vec{b}=\mid\vec{a}\mid\mid\vec{b}\mid\sin\phi$, где $\phi$ — угол, на который нужно повернуть вектор $\vec{a}$ против часовой стрелки, чтобы его направление совпало с направлением вектора $\vec{b}$. Геометрический смысл числа $\vec{a}\wedge\vec{b}$ — ориентированная, площадь параллелограмма, построенного на векторах $\vec{a}$ и $\vec{b}$ (рис. 1). Нужные нам свойства:

Рис. 1.а. $\vec{a}\wedge\vec{b} =2S_{\triangle AOB}$, если $\triangle AOB$ ориентирован положительно— против часовой стрелки.
Рис.1.б. $\vec{a}\wedge\vec{b} =-2S_{\triangle AOB}$, если $\triangle AOB$ ориентирован отрицательно
  1. $(\vec{a}+\vec{b})\wedge\vec{c}=\vec{a}\wedge\vec{c}+\vec{b}\wedge\vec{c}$
  2. $\vec{a}\wedge\vec{b}=-\vec{b}\wedge\vec{a}$
  3. $\vec{a}\wedge\vec{b}=0$, если векторы $\vec{a}$ и $\vec{b}$ коллинеарны. Следуют из того, что
    $\vec{a}\wedge\vec{b}$ равно скалярному произведению вскторов $\vec{b}$ и $R^{90^{\circ}}(\vec{a})$.

Удобно ввести «симметричные» обозначения: пусть $A_{1}A_{2}A_{3}A_{4}$ — данный четырехугольник, $H_{1}, H_{2}, H_{3} и H_{4}$ — точки пересечений высот треугольников $A_{2}A_{3}A_{4}, A_{3}A_{4}A_{1}$, $A_{4}A_{1}A_{2}$ и $A_{1}A_{2}A_{3}$, соответственно, а $\vec{a_{i}}$ и $\vec{h_{i}}$ — векторы, идущие из фиксированной точки $O$ в $A_{i}$ и $H_{i}$ $(i= 1, 2, 3, 4)$.

Докажем, что треугольники $A_{1}A_{2}A_{3}$ и $H_{1}H_{2}H_{3}$ равновелики (имеют одинаковую Площадь) и одинаково ориентированы. Поскольку удвоенная площадь $\triangle$$A_{1}A_{2}A_{3}$ (с учётом ориентации) равна $\overrightarrow{A_{1}A_{2}}\wedge\overrightarrow{A_{1}A_{3}}=(\vec{a_{2}}-\vec{a_{1}})\wedge(\vec{a_{3}}-\vec{a_{1}})=\vec{a_{1}}\wedge\vec{a_{2}}+\vec{a_{2}}\wedge\vec{a_{3}}+\vec{a_{3}}\wedge\vec{a_{1}},$ мы должны доказать равенство $$\vec{a_{1}}\wedge\vec{a_{2}}+\vec{a_{2}}\wedge\vec{a_{3}}+\vec{a_{3}}\wedge\vec{a_{1}}=\vec{h_{1}}\wedge\vec{h_{2}}+\vec{h_{2}}\wedge\vec{h_{3}}+\vec{h_{3}}\wedge\vec{h_{1}}.(1)$$ Для этого мы используем лишь тот факт, что $\left[A_{i}H_{j}\right]\parallel\left[A_{j}H_{i}\right]$ при всех $i \neq j$. Скажем, $\left[A_{1}H_{2}\right]\parallel\left[A_{2}H_{1}\right]$, поскольку они перпендикулярны $ \left[A_{3}A_{4}\right] $; поэтому $(\vec{a_{1}}-\vec{h_{2}})\wedge(\vec{a_{2}}-\vec{h_{1}})=0$
Сложив три равенства:$$\vec{a_{1}}\wedge\vec{a_{2}}-\vec{h_{1}}\wedge\vec{h_{2}}=\vec{a_{1}}\wedge\vec{h_{1}}-\vec{a_{2}}\wedge\vec{h_{2}}.$$ $$\vec{a_{2}}\wedge\vec{a_{3}}-\vec{h_{2}}\wedge\vec{h_{3}}=\vec{a_{2}}\wedge\vec{h_{2}}-\vec{a_{3}}\wedge\vec{h_{3}}$$ $$\vec{a_{3}}\wedge\vec{a_{1}}-\vec{h_{3}}\wedge\vec{h_{1}}=\vec{a_{3}}\wedge\vec{h_{3}}-\vec{a_{3}}\wedge\vec{h_{1}}$$

получим (1).

Разумеется, так же доказывается вообще, что треугольники $A_{i}A_{j}A_{k}$ и $H_{i}H_{j}H_{k}$, равновелики и одинаково ориентированы (для всех $i \neq j \neq k$ ); в частности, это относится к треугольникам $A_{3}A_{4}A_{1}$ и $H_{3}H_{4}H_{1}$. Отсюда, следует равенство площадей четырехугольников $A_{1}A_{2}A_{3}A_{4}$ и $H_{1}H_{2}H_{3}H_{4}$.

Более того, оба эти четырёхугольника будут одновременно либо (а) выпуклыми, либо (б) невыпуклыми, но несамопересекающимися, либо (в) самопересекающимися : если все четыре треугольника $A_{1}A_{2}A_{3}, A_{2}A_{3}A_{4}, A_{3}A_{4}A_{1}, A_{4}A_{1}A_{2}$ имеют одинаковую ориентацию, то (а), если один отличается по ориентации от трех других — (б); если «счет ничейный» 2:2 — (в).

Если бы мы попытались перевести это решение на элементарно геометрический язык, получилась бы громоздкая картина из множеств параллелограммов, очевидные соотношения между площадями которых запутаны из-за особенностей расположения. Более элегантное геометрическое решение (требующее, однако, некоторых вычислений: в частности оно использует формулу $\tan\alpha+\tan\beta=(1-\tan\alpha\tan\beta){\tan(\alpha+\beta)})$ основано на полезных соотношениях, показанных на рисунке 2, где $H$ — точка пересечения высот треугольника $ABC$. $O$ — центр описанной вокруг него окружности, K — середина стороны $AB$).

Рис.2. $\overrightarrow{HC}=2\overrightarrow{KO}=\cot\hat{C}\times R^{90^{\circ}}(\overrightarrow{AB})$

На этом пути сразу ясно, что для четырёхугольника $A_{1}A_{2}A_{3}A_{4}$, вписанного в окружность, «ортоцентрический» четырёхугольник $H_{1}H_{2}H_{3}H_{4}$ будет ему не только равновелик, но и конгруэнтен (в общем случае, как следует из равенства, площадей треугольников $A_{i}A_{j}A_{k}$ и $H_{i}H_{j}H_{k}$ эти четырёхугольники аффинно эквивалентны, то есть один получается из другого линейным преобразованием координат).

Б. Батырев. Н. Васильев. В. Трофимов

M683. О расположении кружков разных цветов так, чтобы любые два касающиеся были разными

Задачa из журнала «Квант» (1981 год, 5 выпуск)

Условие

Несколько кружков одинакового размера положили на стол так, что никакие два не перекрываются. Докажите, что кружки можно раскрасить в четыре цвета так, что любые два касающиеся кружка будут окрашены в разные цвета. Найдите расположение кружков, при котором трех цветов для такой раскраски недостаточно.

Доказательство

Доказательство возможности требуемой раскраски проведем индукцией по числу кружков n.
При n\leq 4 утверждение очевидно. Предположим, что оно справедливо для любого расположения k кружков. Пусть на столе лежит k+1 кружков. Зафиксируем на плоскости произвольную точку M и рассмотрим кружок, центр O которого находится на наибольшем расстоянии от M (если таких кружков несколько, возьмем любой из них). Нетрудно убедиться, что выбранного кружка касается не более двух других (центры всех кружков лежат в круге \left ( M, \left | OM \right | \right ) — рис. 1).
Отбросим кружок с центром O и раскрасим нужным образом в четыре цвета оставшиеся k кружков (по предположению индукции это можно сделать). Вернем теперь кружок с центром O на место. Поскольку он касается не более трех из уже покрашенных кружков, его можно раскрасить в тот цвет, который не был использован при раскраске касающихся его соседей.

Утверждение доказано.

Рисунок 1.

На рисунке 2 изображены 11 кружков, для нужной раскраски которых трех цветов недостаточно. Действительно, предположив, что эти кружки можно раскрасить тремя цветами, получим, что кружки A, B, C, D, E должны быть окрашены одинаково. Но это невозможно, поскольку кружки A и E касаются.

Рисунок 2.

M610. Об «интересных» наборах чисел

Задачa из журнала «Квант» (1980 год, 2 выпуск)

Условие

Фиксируем $k \in \mathbb N$.
$а)$ Рассмотрим множество всех наборов целых чисел $a_1, \ldots , a_k$ таких, что $0 \le a_1 \le a_2 \le \ldots \le a_k \le k$; обозначим число таких наборов через $N.$ Рассмотрим среди них те, для которых $a_k = k$; пусть их число равно $M$. Докажите, что $N=2M$.
$б)$ Наложим на рассматриваемые наборы дополнительное ограничение: сумма $a_1 + \ldots + a_k$ делится на $k$. Пусть соответствующие числа равны $N’$ и $M’$. Докажите, что $N’ = 2M’$ (Из рисунка 1 видно, что при $k=3$ эти числа равны $M=10$, $N=20$; $M’=4$, $N’=8$.)

Рис. 1.

Решение

Как известно, если два множества имеют одинаковое число элементов, между ними можно установить взаимно однозначное соответствие. Собственно говоря, это и есть определение того, что в множествах элементов поровну, но этот факт иногда забывается. А между тем довольно часто равенство двух чисел устанавливается именно через взаимно однозначное соответствие подходящих множеств.

Нам нужно доказать, что наборов, в которых $a_k = k$ ровно половина. Поэтому попробуем установить взаимно однозначное соответствие между этими наборами и оставшимися, теми, у которых $a_k < k$.

Сопоставить набору $(a_1, a_2, \ldots, a_k)$ набор $(a_k, a_{k-1}, \ldots, a_1)$ нельзя, так как новый набор — невозрастающий. Можно попробовать сопоставить набору $(a_1, \ldots, a_k)$ набор $k-a_k, k-a_{k-1}, \ldots, k-a_1)$: он уже — неубывающий, но… $k-a_1$ не обязательно быть меньше $k$. Поэтому это соответствие не решает задачу.

Значит, необходимо более сложное соответствие. Для его построения нам понадобится понятие диаграммы Юнга данного набора.

Рис. 2

Что это такое, проще всего объяснить на примере: набору $(0, 0, 2, 3, 5)$ соответствует диаграмма, изображенная на рисунке 2 — в каждой строке столько соответствующее число.

Дополним диаграмму Юнга до квадрата (рис. 3). Тогда становится ясно, что наша первоначальная идея заключалась в том, что отсчитывать диаграмму не из красных, а из белых квадратиков (и, соответственно, не слева-снизу, а справа-сверху).

Рис. 3

Попытаемся теперь дополнить рисунок 3 вертикальной диаграммой — как на рисунке 4. Отсчитывая эту диаграмму снизу-слева, получим набор $(2, 2, 3, 4, 4)$. Назовем этот набор дополнительным к набору $(0, 0 , 2, 3, 5)$. Еще один пример изображен на рисунке 5.

Ясно, что если исходный набор $(a_1, \ldots, a_k)$, а дополнительный — $(b_1, \ldots, b_k)$, то $(a_k = k)$ тогда и только тогда, когда $b_k < k$. В самом деле, $a_k = k$, если верхняя правая клетка входит в основную диаграмму Юнга, и $a_k < k$, если она входит в дополнительную.

Рис. 4

Установленное нами соответствие между наборами, у которых $a_k = k$, и наборами, у которых $a_k < k$, очевидно, взаимно однозначно. Тем самым мы решили $a)$. Кроме того, сумма чисел исходного и дополнительного наборов равна $k^2$ (в наших примерах — 25). Поэтому сумма чисел дополнительного набора делится на $k$ тогда и только тогда, когда делится на $k$ сумма чисел исходного набора. Это решает $б)$.

Рис. 5

Замечание. Задача $a)$ имеет и другое решение: можно непосредственно посчитать числа $N$ и $M$. Именно:

Лемма. Число наборов целых чисел $a_1, \ldots, a_m$ таких, что $0 \le a_1 \le \ldots \le a_m \le k$ равно $C^m_{k+m}$.

Доказательство. Рассмотрим набор $(b_1, \ldots, b_m)$ где $b_i = a_i + i : b_1 = a_1 +1, b_2 = a_2 +2 $ и т. д. Тогда, очевидно, $1 < b_1 < b_2 < \ldots < b_m \le k+m$, то есть $(b_1, \ldots, b_m)$ — произвольный возрастающий набор $m$ целых чисел их первых $k+m$ чисел. Число таких наборов равно $C^m_{k-m}$.

Поэтому число наборов, в которых $a_k \le k$, по лемме равно $C^k_{2k}$. Если же $a_k = k$, то нам остается выбрать числа $a_1, \ldots, a_{k-1}$ так, что $0 \le a_1 \le \ldots \le a_{k-1} \le k$; их число равно $C^{k-1}_{2k-1}$. Остается посчитать, что $2C^{k-1}_{2k-1}$ равно $C^k_{2k}$.

А. Толпыго

M699. О полукруге, разрезанном на два криволинейных треугольника, в которые вписаны окружности

Задача из журнала «Квант» (1981 год, 8 выпуск)

Условие

Полукруг с диаметром $AB$ разрезан отрезком $CD$, перпендикулярным $AB$, на два криволинейных треугольника $ACD$ и $BCD$, в которые вписаны окружности, касающиеся $AB$ в точках $E$ и $F$. Докажите, что а) $|AD| = |AF|$, б) $|DF|$ — биссектриса угла $BDC$, в) величина угла $EDF$ не зависит от выбора точки $C$ на $AB$.

Решение

а) Пусть $O$ — центр данного полукруга. Будем считать, что $|AO| = 1$. Пусть, для определенности, точка $C$ лежит между $B$ и $O$ и $|OC| = a$ (см. рисунок).

Применяя теорему Пифагора к треугольникам $ADC$ и $ODC$, получаем $|AD|^2 — |AC|^2 = |OD|^2 — |OC|^2$, то есть $|AD|^2 = |AC|^2 + |OD|^2 — |OC|^2$, или $|AD|^2 = (1 + a)^2 + 1 — a^2 = 2 + 2a$.

Пусть $O_1$ — центр окружности, вписанной в криволинейный треугольник $BDC$, $r$ — её радиус. Из прямоугольного треугольника $OO_1F$ находим $(1 — r)^2 = r^2 + (a + r)^2$, или $(a + r)^2 + 2r = 1$. Поскольку $|AF|^2 = (1 + a + r)^2 = 1 + 2a + 2r + (a + r)^2 = 2 + 2a$, получаем $|AF| = |AD|$. (Аналогично доказывается $|BD| = |BE|$.)

б) Треугольник $ADF$ — равнобедренный, так что $\widehat{AFD} = \widehat{ADF}$. Далее, $\widehat{AFD} = \widehat{BDF} + \widehat{DBF}$, $\widehat{ADF} = \widehat{ADC} + \widehat{CDF}$ и $\widehat{ADC} = \widehat{DBF}$; поэтому $\widehat{CDF} = \widehat{BDF}.$

в) из решения пункта б) следует, что $\widehat{EDF} = \widehat{EDC} + \widehat{CDF} = \displaystyle{1\over 2}\widehat{ADB} = \displaystyle{\pi\over 4}$.

В.Сендеров

М623. Задача об осях симметрии куба, правильной треугольной пирамиды и нечетности осей симметрии многогранника.

Задача из журнала «Квант» (1980 год, 5 выпуск)

Условие

а) Сколько осей симметрии имеет куб? Правильная треугольная пирамида?

б)* Докажите, что если некоторый многогранник имеет $k$ осей симметрии $(k \geq 1)$, то $k$ нечетно.

Решение

а) Нетрудно указать девять осей симметрии куба. Это — прямые, соединяющие центр куба $O$ с центрами граней (их три: $Ox$, $Oy$, $Oz$ на рисунке $1$) и с серединами ребер (их шесть).

Других осей симметрии у куба нет: это можно доказать, опираясь на такое наблюдение: при любом самосовмещении куба каждая из трех осей $Ox$, $Oy$, $Oz$ должна отображаться на одну из этих же осей, причем если это само совмещение — симметрия (поворот на $180 ^\circ$) $S_l$ относительно некоторой прямой $l$, отличной от $Ox$, $Oy$ и $ Oz$, то одна из этих трех осей должна переходить сама в себя, а две остальные — друг в друга.

У правильного тетраэдра три оси симметрии — прямые, соединяющие середины его ребер. Чтобы убедится в этом, удобно достроить тетраэдр до куба, проведя через каждое ребро тетраэдра плоскость, параллельную противоположному ребру (рис. $2$). Ясно, что любое самосовмещение тетраэдра будет также самосовмещением этого описанного куба. Из девяти осевых симметрий, отображающих куб на себя, лишь три будут переводить в себя тетраэдр.

б) Пусть дан многогранник $M$, у которого более одной оси симметрии.

Лемма $1$ Если $l$ и $m$ — оси симметрии многогранника $M$, то $S_l (m) = m’$ — также ось симметрии $М$.

В самом деле, если точки $P$ и $P’$ многогранника $M$ симметричны относительно $m$, то $S_l (P)$ и  $S_l (P’)$ будут симметричными относительно $m’$. Короче: $S_{m^{‘}}  = S_l O S_m O S_l$.

Лемма $2$ Если $l$ и $m$ — оси симметрии многогранника $M$, пересекающиеся в точке $O$ и перпендикулярные друг к другу, то прямая $n$, перпендикулярная им обоим и проходящая через точку $O$, также служит осью симметрии $M$.

Действительно, $S_n = S_m O S_l$. Это легко проверить, приняв данные прямые за оси координат, или построив прямоугольный параллелепипед с центром в точке $O$ и осями симметрии $l$, $m$, $n$ с произвольной вершиной $P$ (рис. $3$).

Леммы $1$ и $2$ позволяют, фиксировав какую-то одну ось симметрии $l$, разбить все остальные на пары: если $m$ удовлетворяет условия леммы $2$, то пару с ней образует $n$, а если нет, то $m’ = S_l(m) \ne m$. Отсюда сразу следует утверждение задачи б).

Возникает естественный вопрос: какое вообще (конечное) множество прямых может быть множеством всех осей симметрии некоторого многогранника?

Различные примеры даются множеством осей симметрии $n$-угольной правильной призмы (здесь количество осей $p=n$ при $n$ нечетном и $p=n+1$ при $n$ четном), тетраэдра (или прямоугольного параллелепипеда с разными ребрами, $p=3$), куба (или октаэдра $p=9$) и додекаэдра (или икосаэдра, $p=15$). Попробуйте доказать, что других множеств осей симметрии (состоящих более чем из одной прямой) не бывает. Конечно, тут не обойтись без такой очень полезной леммы, которую многие читатели применили и в решении задачи б).

Лемма $3$ Оси симметрии любого многогранника пересекаются в одной точке.

Предположим, что $l$, $m$ — непересекающиеся оси симметрии многогранника $M$. Пусть $n$ — общий перпендикуляр $l$, $m$; рассмотрим прямоугольную систему координат с началом в точке $O = l \cap n$, с осью $Oz$ направленной по лучу $OA$, где $A = n \cap m$; пусть $|OA| = a$. Тогда при симметрии относительно оси $l$ координата $z$ любой точки переходит в $(-z)$, а при симметрии относительно $m$ — в $(2a-z)$. Поэтому при композиции этих двух симметрий $z$ изменяется на $2a$. Повторяя эту композицию достаточное число раз, мы «выгоним» любую точку за пределы многогранника $M$.  Противоречие!

Вот еще более короткое доказательство леммы $3$ (правда, использующее понятие, заимствованное из механики): пусть $O$ — центр масс одинаковых грузиков, помещенных в вершинах многогранника $M$; ясно, что при любом самосовмещении многогранника $M$ грузики лишь меняются местами, поэтому точка $O$ переходит в себя; в частности, все оси симметрии многогранника $M$ проходят через точку $O$.

Н. Васильев, В. Сендеров, А. Сосинский