Внутри квадрата $ABCD$ расположены точки $P$ и $Q$ так, что $\angle PAQ = \angle PCQ = 45 ^{\circ}$ (рис.1). Докажите, что $PQ^{2} = BP^{2} + QD^{2}$.
Решение
Симметрично отразим $\triangle APB $ относительно прямой $AP$, a $\triangle AQD $ — относительно прямой $AQ$. При этом отраженные точки $B$ и $D$ «склеятся» в одну точку $M$ (рис.2). Затем симметрично отразим $\triangle CPB $ относительно прямой $CP$, а треугольник $CQD$ — относительно прямой $CQ$. При этом отраженные точки $B$ и $D$ «склеятся» в одну точку $N$.
Заметим, что $\angle PMQ + \angle QNP = 180^{\circ}$, но так как треугольники $PMQ$ и $QNP$ равны, то $\angle PMQ = \angle QNP$, т.е. $\angle PMQ = 90^{\circ}$.
Значит, треугольник $PMQ$ прямоугольный и $PM^{2} + QM^{2} = PQ^{2}$. Но $PM = BP$, а $QM = QD$, поэтому окончательно можно утверждать, что $PB^{2} + QD^{2} = PQ^{2}$.
В треугольнике $ABC$ отрезки $CM$ и $BN$ – медианы, $P$ и $Q$ – точки соответственно на $AB$ и $AC$ такие, что биссектриса угла $C$ треугольника одновременно является биссектрисой угла $MCP$, а биссектриса угла $B$ – биссектрисой угла $NBQ$. Можно ли утверждать, что треугольник $ABC$ равнобедренный, если
а) $BP = CQ$;
б) $AP = AQ$;
в) $PQ || BC$;
Отрезки $BQ$ и $CP$ называются симедианами.
а) Да. Перепишем равенство $BP = CQ$, пользуясь теоремой:$$b^{3} + ba^{2} = c^{3} + ca^{2}.$$
Поскольку $f(x)= x^{3}+xa^{2}$ – монотонная функция, получаем, что $b=c$.
К этому равенству можно прийти и так: $b^{3}-c^{3} = a^{2}(c-b);$ значит, при $b\neq c$ будет $b^{2} + bc + c^{2} = -a^{2};$ но $b^{2} + bc + c^{2} \geqslant 0.$
в) Да. $\displaystyle \frac{AQ}{QC}=\frac{AP}{PB}$, т.е. $\displaystyle \frac{c^{2}}{a^{2}}=\frac{b^{2}}{a^{2}}.$
б) Нет. $\displaystyle AP = c \cdot \frac{b^{2}}{b^{2} + a^{2}}$, $\displaystyle AQ = b \cdot \frac{c^{2}}{c^{2} + a^{2}}$.
Перепишем $AP = AQ: bc(b — c) = a^{2}(b — c)$. Значит, в неравнобедренном треугольнике таком, что $a^{2} = bc$, имеем $AP = AQ$.
Если A – наибольший или наименьший угол треугольника, $AP = AQ$, то треугольник равнобедренный.
Неравнобедренный треугольник такой, что $AP = AQ$ – это треугольник со сторонами вида $d, dq, dq^{2}$, где $q \neq 1$.
Пункт б) (именно он предлагался на Турнире городов) можно решить и без помощи теоремы, пользуясь лишь соображениями непрерывности. Это можно сделать по такой, например, схеме.
Пусть для треугольника $ABC$ будет $AP > AQ$, а для треугольника $ {A}'{B}'{C}’$ ${AP}’ < {AQ}’$. «Перетянем» $A$ в ${A}’$, $B$ в ${B}’$, $C$ в ${C}’$; по дороге нам встретится треугольник $A^{\prime\prime}B^{\prime\prime}C^{\prime\prime}$ такой, что $A^{\prime\prime}P^{\prime\prime} = A^{\prime\prime}Q^{\prime\prime}$. Если возникающие при этом «перетягивании» треугольники не являются равнобедренными, то задача решена.
Приведем пример реализации этой схемы.
Рассмотрим треугольник рисунка 2:
$$\displaystyle AB = 1, \angle A = \frac{\pi}{3}, \angle B = \frac{\pi}{2};$$ $CD$– биссектриса.
Так как $\displaystyle \frac{AD}{BD} = \frac{AC}{BC}$, то $\displaystyle AD > \frac{1}{2}$: следовательно, $\displaystyle AP > \frac{1}{2}.$
Далее, $\displaystyle \angle ABQ = \angle NBC = \frac{\pi}{6}$; значит, $\displaystyle AQ = \frac{1}{2}$.
Рассмотрим теперь треугольник рисунка 3: $$\angle A = \frac{\pi}{4}, \angle B = \frac{\pi}{2}, BC = 1.$$ Имеем: $\displaystyle AQ = \frac{\sqrt{2}}{2}$; обозначим через G точку пересечения медиан, из подобных треугольников $CQG$ и $CBP$ получаем $\displaystyle \frac{BP}{BC} = \frac{GQ}{QC} = \frac{GQ}{BQ} = \frac{1}{3}$. Окончательно: $\displaystyle AP = 1 – BP = \frac{2}{3} < \frac{\sqrt{2}}{2} = AQ$.
Имеется остроугольный треугольник с меньшей стороной $c$ и противолежащим ей углом $\gamma$ . Известно, что треугольник можно раскрасить в два цвета так, что расстояние между любыми двумя точками одного цвета будет не больше $с$. Докажите, что $\gamma \geqslant 36^\circ$.
Решение
Рассмотрим треугольник $ABC$ с длинами сторон $AB=c$, $BC=a$, $CA=b$, причём $a \geqslant b \geqslant c$; углы при вершинах $A$, $B$ и $C$ обозначим соответственно через $\alpha$, $\beta$ и $\gamma$.
Пусть точка $K$ — середина стороны $BC$, точка $A_1$ — пересечение серединного перпендикуляра к $BC$ и стороны $AC$ (см. рисунок).
Из условия задачи следует, что в указанной раскраске вершины $B$ и $C$ должны быть разного цвета, поскольку расстояние между ними больше $c$ (если оно равно $c$, то треугольник равносторонний, и для него утверждение задачи выполняется). Значит, точка $A_1$ должна иметь одинаковый цвет с одной из точек $B$ или $C$.
В любом случае должно выполняться неравенство $AB \geqslant A_1C$, которое равносильно следующим неравенствам:
$$c \geqslant \frac{a}{2\cos\gamma}\;;\;\frac{\sin\gamma}{\sin\alpha}\geqslant\frac{1}{2\cos\gamma};$$
$$\sin2\gamma \geqslant \sin\alpha\;;\;\alpha \leqslant 2\gamma \leqslant \pi-\alpha$$
Учитывая, что $2\gamma \leqslant \beta+\gamma=\pi-\alpha$, имеем: $AB \geqslant A_1C \Leftrightarrow \alpha \leqslant 2\gamma .$
Продолжения противоположных сторон произвольного выпуклого четырехугольника [latex]ABCD[/latex] пересекаются в точках [latex]M[/latex] и [latex]K[/latex] $(рис.1)$. Через точку [latex]O[/latex] пересечения его диагоналей проводится прямая, параллельная [latex]MK[/latex]. Докажите, что отрезок этой прямой, заключенный внутри четырехугольника, делится точкой [latex]O[/latex] пополам.
Решение
Проведем через точку [latex]D[/latex] прямую [latex]l[/latex] (сделайте чертеж самостоятельно), параллельную [latex]KM[/latex]; пусть [latex]E[/latex] и [latex]F[/latex] — точки пересечения [latex]l[/latex] с прямыми [latex]BC[/latex] и [latex]BA[/latex] соответственно. Пусть для определенности прямая, проходящая через [latex]O[/latex] параллельно [latex]KM[/latex] и [latex]l[/latex] пересекает стороны [latex]AB[/latex] и [latex]CD[/latex] четырехугольника. В этом случае для решения задачи надо доказать, что точка [latex]O[/latex] лежит на медиане [latex]KL[/latex] треугольника [latex]DKF[/latex]. Мы докажем, что [latex]O[/latex] — точка пересечения медиан [latex]KL[/latex] и [latex]MN[/latex] треугольников [latex]DKF[/latex] и [latex]DME[/latex] соответственно. Обозначим точку пересечения медиан [latex]KL[/latex] и [latex]MN[/latex] через [latex]X[/latex].
Докажем вначале, что [latex]X[/latex] лежит на [latex]BD[/latex], т. е. что прямые [latex]DX[/latex] и [latex]BD[/latex] совпадают. Для этого докажем, что они делят отрезок [latex]KM[/latex] в одном и том же соотношении.
Пусть [latex]Y[/latex] — точка пересечения [latex]DX[/latex] и [latex]KM[/latex]. Имеем [latex]\frac {\displaystyle KY}{ \displaystyle LD} = \frac{\displaystyle XY}{\displaystyle DX}[/latex] (поскольку треугольники [latex]XYK[/latex] и [latex]XDL[/latex] подобны), [latex]\frac{ \displaystyle MY}{\displaystyle DN}\ = \frac{\displaystyle XY}{\displaystyle DX}\[/latex]. Поэтому [latex]\frac{\displaystyle KY}{\displaystyle MY}\ = \frac{\displaystyle LD}{\displaystyle DN}\[/latex]. Аналогично доказывается, что [latex]BD[/latex] делит [latex]KM[/latex] в отношении [latex]\frac{\displaystyle FD}{\displaystyle DE}\[/latex]. Но [latex]FD = 2LD[/latex], [latex]DE = 2DN[/latex].
Осталось доказать, что [latex]X[/latex] лежит на отрезке [latex]AC[/latex]. Другими словами, что [latex]KL[/latex] и [latex]MN[/latex] делят отрезок [latex]AC[/latex] в одном и том же отношении.
Лемма 1.
[latex]\frac{\displaystyle VS}{\displaystyle BV}\ = \frac{\displaystyle AS}{\displaystyle AC}\[/latex], где [latex]S[/latex] — точка на стороне [latex]AC[/latex] треугольника [latex]ABC[/latex], [latex]V[/latex] — точка пересечения прямой [latex]BS[/latex] с медианой [latex]AN[/latex] этого треугольника.
Лемма 2.
[latex]\frac{\displaystyle VS}{\displaystyle UV} = \left(\frac{\displaystyle AS}{\displaystyle AU}\right) \cdot \left (\frac{\displaystyle AB}{\displaystyle AC} \right )[/latex], где [latex]U[/latex] и [latex]S[/latex] — точки на сторонах [latex]AB[/latex] и [latex]AC[/latex] треугольника [latex]ABC[/latex] соответственно, а [latex]V[/latex] — точка пересечения прямой [latex]US[/latex] с медианой [latex]AN[/latex] этого треугольника.
На стороне [latex]AC[/latex] возьмем точку [latex]Z[/latex] такую, что [latex]UZ[/latex] [latex]||[/latex] [latex]BC[/latex]. По лемме 1 имеем [latex]\frac{\displaystyle VS}{\displaystyle UV}\ = \frac{\displaystyle AS}{\displaystyle AZ}\[/latex], а по теореме Фалеса [latex]\frac{\displaystyle AC}{\displaystyle AB}\ = \frac{\displaystyle AZ}{\displaystyle AU}\[/latex]. Осталось перемножить эти равенства.
Доказанные утверждения позволяют завершить решение задачи. Именно, по лемме 2 медиана [latex]KL[/latex] делит отрезок [latex]AC[/latex] (считая от [latex]C[/latex]) в отношении [latex]m = \left(\frac{\displaystyle CK}{\displaystyle KD}\right) \cdot \left (\frac{\displaystyle KF}{\displaystyle AK} \right )[/latex], а медиана [latex]MN[/latex] — в отношении [latex]n = \left(\frac{\displaystyle MC}{\displaystyle ME}\right) \cdot \left (\frac{\displaystyle MD}{\displaystyle MA} \right )[/latex]. Но [latex]\frac{\displaystyle MC}{\displaystyle ME}\ = \frac{\displaystyle KC}{\displaystyle KD}\[/latex], [latex]\frac{\displaystyle KF}{\displaystyle AK}\ = \frac{\displaystyle MD}{\displaystyle MA}\[/latex]. Следовательно, [latex]m = n[/latex].
Утверждение задачи доказано.
Замечание. Вот ещё одно, более естественное, хотя и несколько более сложное, доказательство леммы 2.
На сторонах $AB$, $BC$ и $CA$ треугольника $ABC$ как на основаниях вне его построены треугольники $ABC_{1}$, $BCA_{1}$, $CAB_{1}$, у каждого из которых отношение высоты к основанию равно $k$. Такие же треугольники $ABC_{2}$, $BCA_{2}$ и $CAB_{2}$ построены и по другую (внутреннюю) сторону от оснований. Докажите, что площади $S$, $S_{1}$ и $S_{2}$ треугольников $ABC$, $A_{1}B_{1}C_{1}$ и $A_{2}B_{2}C_{2}$ связаны соотношением $$S_{1} \pm S_{2} = S \cdot \left(\frac12 + 6k^2\right) $$ (знак «$+$» или «$-$» зависит от ориентации треугольника $A_{2}B_{2}C_{2}$ по отношению к $ABC$).
Доказательство
Вершины треугольников с площадями $S_{1}$ и $S_{2}$ лежат на серединных перпендикулярах к сторонам треугольника $ABC$, проходящих через центр $O$ его описанной окружности. Если обозначить через $R$ радиус этой окружности, а через $\alpha$, $\beta$, $\gamma$ — углы треугольника $ABC$, то из рис.1 видно, что, поскольку синусы углов между перпендикулярами равны синусам углов между соответствующими сторонами, то $$ 2S_{1} = OA_{1} \cdot OB_{1} \cdot \sin \gamma + OB_{1} \cdot OC_{1} \cdot \sin \alpha + OC_{1} \cdot OA_{1} \cdot \sin \beta . $$ рис.1
Пусть $t$ — тангенс угла наклона стороны равнобедренного треугольника к основанию $(t = 2 \cdot k)$. Тогда отрезки от $O$ до вершин легко выразить через радиус $R$ и получить, что $$\begin{multline} \frac{2S_1}{R^2} = \left(\cos \alpha + t \sin \alpha \right) \cdot \left( \cos \beta + t \sin \beta \right) \cdot \sin \gamma + {} \\\\ {} + \left( \cos \beta+ t \sin \beta \right) \cdot \left( \cos \gamma+ t \sin \gamma \right) \cdot \sin \alpha + {} \\\\ {} + \left(\cos \gamma+ t \sin \gamma \right) \cdot \left( \cos \alpha+ t \sin \alpha \right) \cdot \sin \beta.\end{multline}$$
Отношение же $\frac{ 2S_{2} }{R^2}$ (для случая, изображенного на рис.1) равно аналогичному выражению, где вместо $t$ стоит $-t$. Сложив оба эти выражения и раскрыв скобки, мы увидим, что коэффициент при $t^1$ равен $0$, коэффициент при $t^2$ равен $6 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma$, а свободный член (здесь нужно использовать равенство $\alpha + \beta + \gamma = \pi$, откуда $ \cot \alpha \cdot \cot \beta + \cot \beta \cdot \cot \gamma + \cot \alpha \cdot \cot \gamma = 1$) равен $2 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma$. По известной формуле $S = \frac{abc}{4R}$, выражающей площадь $S$ через стороны $a$, $b$, $c$ и радиус описанной окружности $R$, $$2 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma = 2\frac{abc}{8R^3} = \frac{S}{R^2}$$
Откуда получаем нужную формулу $$\begin{equation} S_{1} + S_{2} = \frac{1+3t^2}{2} S = S \cdot \left(\frac12 + 6k^2\right) \end{equation} $$.
Эти рассуждения необходимо несколько уточнить, чтобы они оказались применимы не только для случая, изображенного на рис.1, но и для случая, когда внутренние треугольники налегают друг на друга, в частности, когда $A_{2}B_{2}C_{2}$ имеет противоположную ориентацию. Вместо этого мы посмотрим на наши рассуждения с более общей точки зрения.
Верен такой общий факт: если три точки $K$, $L$ и $M$ с постоянными скоростями движутся по трем прямым, то площадь ориентированного треугольника $KLM$ как функция,зависящая от времени $t$, выражается квадратным трехчленом от $t:S = F\left(t\right)$. Легко доказать это, например, с помощью метода координат (формула ориентированной площади треугольника с вершинами $\left(x_1, y_1\right)$, $\left(x_2, y_2\right)$, $\left(x_3, y_3\right)$ выглядит так: $$ S = \frac{x_1 y_2 — x_2 y_1 + x_2 y_3 — x_1 y_2 + x_3 y_1 — x_1 y_3}{2}.$$ Ясно, что если каждая координата выражается линейной функцией от $t$, то $S$ — квадратный трёхчлен от $t$).
Будем считать, что при $t=0$ наши точки совпадают с серединами сторон треугольника $ABC$ и двигаются по серединным перпендикулярам (при $t>0$ во внешнюю сторону) со скоростями, пропорциональными длинам $a$, $b$, $c$ соответствующих сторон треугольника: при некотором $t$ они занимают положения $A_{1}$, $B_{1}$, $C_{1}$, а при противоположном значении $\left(-t\right)$ — положения $A_{2}$, $B_{2}$, $C_{2}$. Нас интересует сумма $F\left(t\right)+F\left(-t\right)$, то есть свободный и старший (содержащий $t^2$) члены $F\left(t\right)$, которые по сущетсув мы и вычисляли выше (1).
Интересно заметить, однако, что они имеют геометрический смысл, так что можно найти их без вычислений. Свободный член $F\left(0\right)$ — это $\frac{S}{4}$ (площадь треугольника из средних линий $ABC$). Чтобы найти старший коэффициент, — он определяется как отношение площади $S_{1}$ к $t^2$ в пределе при $t$ стремящемся к бесконечности, — заметим, что при очень большом $t$ треугольник $ABC$ можно считать «почти точкой» $O$. При этом векторы $OA_{1}$, $OB_{1}$, $OC_{1}$ перпендикулярны соответствующим сторонам треугольника и им пропорциональны ( с коэффициентом $k=\frac{t}{2}$ ). Сумма этих векторов $OA_{1}$, $OB_{1}$ и $OC_{1}$ равна нулю (как и векторов, образующих стороны треугольника), то есть они служат отрезками медиан треугольника $A_{1}B_{1}C_{1}$, причем последний по площади в 3 раза больше треугольника $A_{1}OD$ (рис.2), подобного $ABC$ с коэффициентом $k$. Отсюда ясно, что старший член $F\left(t\right)$ имеет вид $3 k^2 \cdot S = 3 \frac{t^2 \cdot S}{4}$. рис.2
Итак, $F\left(t\right) = \frac {S \left(1+ \ldots +3 t^2\right)}{4}$, откуда следует нужная формула (2) для $S_1 \pm S_2 = F\left(t\right)+F\left(-t\right)$.
Отметим интересные частные случаи нашей формулы: если на сторонах строятся правильные треугольники, то $t = \sqrt{3}$, так что $S_1 \pm S_2 = 5S$; если равнобедренные прямогульные, то $-t = 1$ и $S_1 \pm S_2 = 2S$; а если $t = \frac{\sqrt{3}}{6}$ (при этом новые точки — центры правильных треугольников, построенных на сторонах), то $S_1 \pm S_2 = S$.
