Евклидово пространство

Определение 1. Пусть дано вещественное линейное пространство $E$. Оно называется евклидовым, если на нем задано отображение из каждой пары векторов в соответствующее ей вещественное число. Назовем это отображение скалярным произведением. Отображение должно удолетворять следующим аксиомам:

  1. $\left(x, y \right) = \left(y, x \right),$
  2. $\left(\lambda x, y \right) = \lambda \left(x, y \right),$
  3. $\left(x + y, z \right) = \left(x, z\right) + \left(y, z\right),$
  4. $\left(x, x \right) > 0 \quad при \quad x \not= 0; (x, x) = 0 \quad при \quad x = 0; \forall x, y, z \in E, \forall \lambda \in R.$

Отсюда можно получить ряд следствий:

  1. $\left(x, \lambda y\right) = \lambda \left(x, y \right)$,
  2. $\left(x, y + z \right) = \left(x, y \right) + \left(x, z \right)$,
  3. $\left(x {-} z, y \right) = \left(x, y \right){-}\left(z, y \right)$,
  4. $\left(x, y {-} z \right) = \left(x, y \right){-}\left(x, z \right)$,
  5. $\forall a = \sum\limits_{j = 1}^m \alpha_j x_j$, $b = \sum\limits_{i = 1}^n \beta_i y_i: \\ \left(x, y\right) = \left(\sum\limits_{j = 1}^m \alpha_j x_j, b = \sum\limits_{i = 1}^n \beta_i y_i\right) = \sum\limits_{j = 1}^m \sum\limits_{i = 1}^n \alpha_j \beta_i \left(x_j, y_i \right)$

Любое n-мерное линейное пространство можно превратить в евклидово(с помощью определения в нем скалярного произведения). В n-мерном линейном пространстве скалярное произведение можно задать различными способами.

Например, возьмем в произвольном вещественном пространстве $G$ его некоторый базис $g = {e_1, e_2, \cdots, e_n}$ и два любых вектора $x$, $y$. Допустим, $$x = \sum\limits_{i = 1}^n \alpha_i e_i \quad y = \sum\limits_{i = 1}^n \beta_i e_i$$

Теперь можно ввести скалярное произведение: $\left(x, y\right) = \sum\limits_{i = 1}^n \alpha_i \beta_i.$

Любое подпространство из $E$ может быть Евклидовым, если в нем сохраняется скалярное произведение, определенное в $E$.

Определение 2. Пусть дан вектор $x$, принадлежащий евклидову пространству. Если $(x, x) = 1$, то этот вектор называется нормированным. Ненулевой вектор можно нормировать, если умножить его на произвольное число $\lambda$: $$\left(\lambda x, \lambda x \right) = \lambda^2 \left(x, x\right) = 1.$$

Значит, нормирующий множитель $\left(\lambda \right) = \left( x, x \right)^{{-}\frac{1}2}$

Определение 3. Пусть вектор $x$ принадлежит евклидову пространству $E$. Длиной вектора $x$ назовем число $\mid x \mid = + \sqrt{\left(x, x\right)}$, где $x \in R.$ Данное определение имеет свойства длины:

  1. $\mid 0 \mid = 0.$
  2. $\mid x \mid > 0, если x \not= 0.$
  3. $\mid \lambda \cdot x \mid = {\mid \lambda \mid}{\mid x \mid}$ — свойство абсолютной однородности.

Определение 4. Пусть даны векторы $x, y$, принадлежащие евклидову пространствую. Тогда $ \displaystyle \cos \left(x, y \right) = \frac{ \left(x, x \right)}{{ \mid x \mid}{ \cdot}{ \mid y \mid}}, 0 \leqslant \left(x, y \right) \leqslant \pi$ — косинус угла между этими векторами

Рассмотрим применимость школьной геометрии к геометрии евклидова пространства. Пусть заданы два вектора $x, y \in E; x \not= 0, y \not= 0$ — две стороны треугольника. Тогда разность $y-x$ — третья сторона. С помощью формулы для угла можно вычислить квадрат третьей стороны: $${\mid y-x\mid}^2 = \left(y-x, y-x \right) = {\mid y \mid}^2+{\mid x \mid}^2 {-} 2 \left(y, x\right) = {\mid y \mid}^2+{\mid x \mid}^2 {-} \mid y \mid \mid x \mid \cos \left(b, a\right)$$

Получили теорему косинусов. Разумеется, если $y \bot x$, то треугольник является прямоугольным. Также, из последней формулы можно получить теорему Пифагора: ${\mid y-x\mid}^2 = {\mid y \mid}^2+{\mid x \mid}^2.$ Из той же формулы получаем отношение длин сторон треугольника, если оценивать множитель $cos(b^a)$ сверху: $${\mid y-x\mid}^2 \leqslant {\mid y \mid}^2+{\mid x \mid}^2 {+} 2{\mid y \mid}{\mid x \mid} = \left({\mid y \mid}+{\mid x \mid}\right)^2 \Rightarrow \mid y-x \mid \leqslant {\mid y \mid}+{\mid x \mid}.$$

И снизу: $${\mid y-x\mid}^2 \leqslant {\mid y \mid}^2+{\mid x \mid}^2 {-} 2{\mid y \mid}{\mid x \mid} = \left({\mid y \mid}-{\mid x \mid}\right)^2 \Rightarrow \mid y-x \mid \leqslant {\mid y \mid}-{\mid x \mid}.$$

Литература

  1. Электронный конспект по линейной алгебре Белозерова Г.С.
  2. Воеводин В.В. Линейная алгебра.Стр. 88-90
  3. Курош А.Г. Курс высшей алгебры.Стр. 211-212

М827. О равновеликих треугольниках

 

Задача из журнала «Квант» (1984 год, 1 выпуск)

Условие

Известно, что четыре синих треугольника на рисунке 1 равновелики.

  1. Докажите, что три красных четырехугольника на этом рисунке также равновелики.
  2. Найдите площадь одного четырехугольника, если площадь одного синего треугольника равна 1.

Решение

Нам понадобится следующая часто применяемая

Лемма. Пусть $Р$ — точка на стороне $KL$ треугольника $KLM$. Тогда отношение площадей треугольников и равно $$S_{MKP}:S_{MPL}=|KP|:|PL|.$$ (Для доказательства достаточно заметить, что треугольники $MKP$ и $MPL$ имеют общую высоту проведенную из вершины $М$ (рис. 2).).

Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
  1. Введем обозначения, как  на рисунке 1. Заметим, что треугольники $AA_0C_0$ и $AA_0C_1$ равновелики (каждый из них составлен из треугольника $AA_0B_0$ и одного из из синих треугольников). Эти треугольники имеют общее основание $AA_0$, поэтому их вершины $C_0$ и $C_1$ равноудалены от прямой $AA_0$, то есть прямые $AA_0$ и $C_1C_0$ параллельны. Аналогично, $BB_0||A_1A_0$ и $CC_0||B_1B_0$. Рассмотрим трапецию $AA_0C_0C_1$ (рис. 3). Её диагонали пересекаются в точке $B_0$, а продолжения боковых сторон — в точке $B$. Эти точки лежат на прямой, соединяющей середины $D$ и $E$ её оснований $AA_0$ и $C_1C_0$. (Действительно, $B_0$ — центр гомотетии треугольников $B_0AA_0$ и $B_0C_0C_1$, а $B_0$ — центр гомотетии треугольников $BAA_0$ и $BC_1C_0$). А поскольку эта прямая параллельна $A_1A_0$, точка $B_0$ — середина отрезка $A_1A$. По лемме отсюда вытекает,что $S_{AB_0C}=S_{B_0A_1C}$. Следовательно (см. рис. 1), площади четырехугольников $AB_0A_0B_1$ и $CA_0C_0A_1$ равны. Аналогично доказывается, что и третий красный четырехугольник $BC_0B_0C_1$ имеет такую же площадь.

    Подумайте, останется ли верным утверждение этого пункта задачи, если потребовать равенства площадей только трех угловых синих треугольников.

  2. Площадь красного четырехугольника $s=1+\sqrt{5}$. Чтобы составить уравнение для нахождения искомой площади $s$, выразим двумя способами отношение $|BC_1|:|C_1A|$ с помощью леммы:$$|BC_1|:|C_1A|=S_{CBC_1}:S_{CC_1A}=(2s+2):(s+2)=S_{B_0BC_1}:S_{B_0C_1A}=(s/2):1.$$
    (Пояснения здесь требуют только равенство $S_{B_0BC_1}$. Как было показано выше, точка $E$ — середина $C_0C_1$ (рис. 3). Отсюда, опять-таки пользуясь леммой, легко вывести, что треугольники $B_0BC_1$ и $B_0BC_0$ равновелики. А вместе они составляют четырехугольник $BC_0B_0C_1$ площади $s$). Итак, $s$ удовлетворяет уравнению $$s^2-2s-4=0.$$ откуда $s=1+\sqrt{5}$.
  3. Б. И. Чиник, В. Н. Дубровский

М1654. Задача о медиане и биссектрисе неравнобедренного треугольника

Задача из журнала «Квант» (1998 год, 5 выпуск)

Условие

Через основание $L$ и $M$ биссектрисы $BL$ и медианы $BM$ неравнобедренного треугольника $ABC$ провели прямые параллельно, соответственно, сторонам $BC$ и $BA$ до пересечения с прямыми $BM$ и $BL$ в точка $D$ и $E$. Докажите, что угол $BED$ прямой.

Рис. 1

Первое решение

Обозначим $O=LD \cap ME$, и пусть точка $O$ лежит внутри треугольника $ABC$ (именно такое расположение было предложено рассмотреть на олимпиаде). $ME$ — медиана треугольника $MBC$ (Рис.1), а значит, и треугольника $MDL$, т.е. $OL=OD$. Далее $\angle DLB = \angle LBC,\; \angle MEL = \angle ABL = \angle LBC$. Получили: $\angle MEL = \angle DLB, \; OL= OE$.

Итак, в треугольнике $LED$ медиана $EO$ равна половине стороны $LD$. Следовательно, угол $DEL$ прямой, откуда сразу следует утверждение задачи.

Случай внешнего расположения точки $O$ рассматривается аналогично. А можно и не рассматривать этот случай, а просто сослаться на такое почти очевидное предложение.

Рис. 2

Лемма. Пусть $B$ и $C$ — произвольные точки на выходящих из $A$ лучах (Рис.2), $BD \parallel CK, \; CE \parallel BF$. Тогда и $ED \parallel KF$.

Следует из теоремы Фалеса; легко получить его с помощью векторов.

С помощью векторов нетрудно получить и естественное решение исходной задачи.

Второе решение

Рис. 3

Ниже мы будем рассматривать векторы в базисе $\{\vec{a} , \; \vec{c} \}, \;$ где $\vec{a} = \vec{BC},\; \vec{c} = \vec{BA}, \;$ длины этих векторов обозначим через $a$ и $c$ соответственно.

Имеем: $\displaystyle \vec{BL}=\vec{c} + \frac{c}{a+c} \Big( \vec{a} — \vec{c} \Big) = \frac{1}{a+c}\Big(a \vec{c} + c \vec{a} \Big)$.

Обозначим $\vec{BE} = \alpha \vec{BL}$, тогда $$ \alpha \vec{BL} + \vec{EM} = \vec{BM} =\frac{1}{2} \Big( \vec{a} + \vec{c} \Big).$$ Приравняем проекции левой и правой частей этого равенства на вектор $\displaystyle \vec{a}: \frac{\alpha c}{a+c} = \frac{1}{2}$, откуда $\displaystyle \alpha = \frac{a+c}{2c}$.

Аналогично, положив $\vec{BD} = \beta \vec{BM}$, получим $\beta \vec{BM}+\vec{DL}=\vec{BL}$; проектируя обе части этого равенства на $\vec{c}$, находим $\displaystyle \frac{\beta}{2}=\frac{a}{a+c}$.

Получили $\displaystyle \vec{BE} = \frac{\vec{a}}{2} + \frac{a}{2c} \vec{c},\; \vec{BD} = \frac{a}{a+c} \Big(\vec{a} + \vec{c} \Big)$. Таким образом, $\displaystyle\frac{\vec{BE}}{a} = \frac{1}{2}\left( \frac{\vec{a}}{a} + \frac{\vec{c}}{c}\right)$ — это высота треугольника, построенного на единичных векторах $\displaystyle \frac{\vec{a}}{a}$ и $\displaystyle \frac{\vec{c}}{c}$. Далее, $\displaystyle \frac{\vec{BE}}{a} = \frac{1}{a+c}\left(a \cdot \frac{\vec{a}}{a}+c \cdot \frac{\vec{c}}{c}\right)$ — (внутренняя) точка основания этого треугольника, отличная от основания высоты. Поэтому очевидно(Рис.3), что $\displaystyle \frac{\vec{BD}}{a}-\frac{\vec{BE}}{a}\bot\vec{BE}$ — и утверждение задачи доказано.

Разумеется, к этому решению можно было подойти более формально: вектор $\displaystyle \vec{BD}-\vec{BE}=\frac{a \left( a-c \right)}{2 \left( a+c \right)} \left(\frac{\vec{a}}{a}-\frac{\vec{c}}{c}\right) $ параллелен основанию треугольника. А можно было и воспользоваться понятием скалярного произведения векторов: $$\displaystyle \left( \vec{BD}, \vec{BE} \right) = \frac{a^2}{2} \left( 1+\frac{\Big( \vec{a}, \vec{c} \Big)}{ac} \right), $$ $$\displaystyle \left( \vec{BE}, \vec{BE} \right) = \frac{a^2}{2} \left( 1+\frac{\Big( \vec{a}, \vec{c} \Big)}{ac} \right).$$

А. Акопян, В. Сендеров

М1651. О наименьшей и наибольшей площади выпуклой фигуры

Задача из журнала «Квант» (1998 год, 5 выпуск)

Условие

Найдите а) наименьшую, б) наибольшую возможную площадь выпуклой фигуры, все проекции которой на оси $Oх$, $Oу$ и прямую $х = у$ суть отрезки единичной длины.

Ответ: а) $\sqrt{2}-1$; б)$\frac{2\sqrt{2}-1}{2}$.

Решение

Для обоих случаев а) и б) фигура $F$, о которой идет речь в задаче, заключается внутри шестиугольника, являющегося пересечением трех полос (шириной $1$ каждая) (рис.$1$).

Рис. 1
Рис. 1

Назовем такой шестиугольник накрывающим. В случае б) фигура $F$ совпадает с накрывающим шестиугольником, достигая наибольшей площади тогда, когда накрывающий шестиугольник симметричен относительно обеих диагоналей квадрата. Эта наибольшая площадь равна $\frac{2\sqrt{2}-1}{2}$, как показывают элементарные вычисления.

Рис. 2
Рис. 2

Минимальная площадь фигуры $F$ (случай а) реализуется на многоугольнике, который на каждой стороне накрывающего шестиугольника имеет по крайней мере одну вершину. Таким многоугольником будет четырехугольник $ABCD$ (рис.$2$), который во всех разновидностях накрывающих шестиугольников имеет одну и ту же площадь $\sqrt{2}-1$.

В.Тиморин

M1817. Окружности вписанные в четырёхугольник

Задача из журнала «Квант» (2002 год, 6 выпуск)

Условие

Четырехугольник с перпендикулярными диагоналями вписан в квадрат. Диагонали и стороны четырехугольника разделили квадрат на 8 треугольников, попеременно окрашенных в красный и синий цвет (рис.1).

рис 1

Докажите, что сумма радиусов окружностей, вписанных в красные треугольники равна сумме радиусов окружностей, вписанных в синие треугольники.

Решение

Сначала два вспомогательных факта.

  1. Диаметр вписанной в прямоугольный треугольник окружности равен разности между суммой его катетов и гипотенузой, т.е. $2r = a + b — c.$ Обоснование этого полезного утверждения можно усмотреть из рисунка

  1. Два взаимно перпендикулярных отрезка разделили квадрат на четыре четырехугольнька. Тогда сумма периметров любых двух несоседних из них равна сумме периметров двух других (рис.3).
рис 3

Обоснуем это. Один из разделяющих отрезков перенесем параллельно себе так, чтобы он прошел через центр квадрата; при этом сумма периметров несоседних четырехугольников останется прежней. То же самое сделаем со вторым отрезком. Но два отрезка, взаимно перпендикулярные и проходящие через центр квадрата, делят его на четыре равных четырехугольника. Теперь рассуждение легко закончить самостаятельно.

Вернемся к условию задачи. На основании утверждения 2 можно заключить, что сумма длин всех катетов красных треугольников равна сумме длин всех катетов синих треугольников. К этому можно добавить, что сумма длин всех гипотенуз красных треугольников равна сумме длин всех гипотенуз синих треугольников. Откуда используя утверждение 1, делаем вывод, что сумма радиусов окружностей, вписанных в красные треугольники, равна сумме радиусов окружностей, вписанных в синие треугольники.

В. Произволов