Автор: Mariia Predeina

Задача из журнала «Квант» (1980, №3)

Условие

На сторонах треугольника $ABC$ во внешнюю сторону построены подобные между собой треугольники $ADB,$ $BEC$ и $CFA,$ где

$$\frac{|AD|}{|DB|} = \frac{|BE|}{|EC|}= \frac{|CF|}{|FA|}=k;$$ $$\widehat{ADB}=\widehat{BEC}=\widehat{CFA}=\alpha.$$ Докажите, что:

1. середины отрезков $AC,$ $DC,$ $BC$ і $EF -$ вершины параллелограмма;
2. у этого параллелограмма два угла имеют величину $\alpha,$ a отношение длин сторон равняется $k.$

Решение

Обозначим через $\vec a^\prime$ вектор, полученный из вектора $\vec a$ поворотом на угол $\alpha$ против часовой стрелки. (Как известно, $(k\vec a)^\prime = k\vec a ^\prime$ для любого числа $k,$ $(\vec a+\vec b)^\prime=\vec a^\prime+\vec b^\prime,$ и вообще, для любого числа слагаемых, $(\vec a+\vec b+\ldots+\vec c)^\prime=\vec a^\prime+\vec b^\prime+\ldots+\vec c^\prime).$

Введем векторы $\overrightarrow{DA} = \vec a,$ $\overrightarrow{EB} = \vec b,$ $\overrightarrow{FC}=\vec c$ (см. рис.1).

По условию $\overrightarrow{DB}=\frac 1k \vec a^\prime,$ $\overrightarrow{EC}=\frac 1k \vec b^\prime,$ $\overrightarrow{FA}=\frac 1k \vec c^\prime.$ Так как

$$\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{DB}+\overrightarrow{BE}+\overrightarrow{EC}+\overrightarrow{CF}+\overrightarrow{FA}=\vec 0,$$ $$-\vec a+\frac 1k \vec a^\prime-\vec b+\frac 1k \vec b^\prime-\vec c+\frac 1k \vec c^\prime=\vec 0,$$ то есть $\vec a+\vec b+\vec c=\frac{\vec a^\prime+\vec b^\prime+\vec c^\prime}{k}=\frac 1k (\vec a+\vec b+\vec c)^\prime.$
Обозначив $\vec a+\vec b+\vec c$ через $\vec u,$ получим $$\vec u-\frac 1k \vec u^\prime=0. \qquad (\ast)$$ Поскольку векторы $\vec u$ та $\vec u^\prime$ неколинеарные $(\alpha \ne 0$ и $\alpha \ne 2\pi),$ равенство $(\ast)$ возможно тогда и только тогда, когда $\vec u=\vec 0.$ Поэтому $\vec a+\vec b+\vec c=\vec 0.$

Далее: поскольку $Q \: -$ середина $[DC]$ и $P \: -$ середина $[AC]$ (см. рис.1), $\overrightarrow{QP}=\frac 12 \vec a.$ Аналогично $\overrightarrow{QR}=\frac 12 \overrightarrow{DB}.$ Так как $(PQ)\|(AD)$ и $(QR) \| (BD),$ имеем $\widehat{PQR}=\alpha.$

Наконец,

$$\overrightarrow{RS}=\overrightarrow{RC}+\overrightarrow{CF}+\overrightarrow{FS}=\frac 12 \overrightarrow{BC}-\vec c+\frac 12 \overrightarrow{FE}=$$ $$=\frac 12(-\vec b+\frac 1k \vec b^\prime)-\vec c+\frac 12 (\vec c-\frac 1k \vec b^\prime)=-\frac{\vec b+\vec c}{2}=\frac{\vec a}{2}=\overrightarrow{QP}.$$

Таким образом, четырехугольник $PQRS \: -$ параллелограмм с углом $PQR,$ равным $\alpha,$ в котором отношение длин сторон имеет вид $\frac{|PQ|}{|RQ|}=\frac{|AD|}{|DB|}=k.$