теоремы Чевы и Менелая. А. В. Шевкин Теоремы Чевы и Менелая входят в программу по геометрии в девятых классах с углубленным изучением математики. Первую теорему доказал итальянский инженер Джованни Чева (16481734), а вторая носит имя М
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
Вокруг теорем Чевы и Менелая 1 А.В. Шевкин Теоремы Чевы и Менелая входят в программу по геометрии в девятых классах с углубленным изучением математики. Первую теорему доказал итальянский инженер Джованни Чева (1648–1734), а вторая носит имя Менелая Александрийского (I в) потому, что сохранился арабский перевод его книги «Сферика», содержащий доказательство аналогичной теоремы для сферического треугольника. Предполагается, что теорема для плоского треугольника была известна Менелаю, возможно даже была им доказана. Обе эти теоремы имеют несколько способов доказательства — с помощью теоремы о пропорциональных отрезках, с помощью подобия треугольников, с помощью площадей, а также с помощью комбинирования перечисленных приемов доказательства. Это позволяет начать их изучение уже в 8 классе (пример включения этого материала в учебный процесс дан в учебнике [1]). Независимо от времени включения этих красивых теорем в учебный процесс использование различных приемов их доказательства, их применение к решению задач будет способствовать развитию творческого подхода к доказательствам теорем и к решению задач. Последовательность использования теоретических фактов в статье соответствует учебнику А.В. Погорелова, при работе по другому учебнику, возможно, придется подобие треугольников применять после площадей. Теорема Чевы Пусть дан треугольники на его сторонах AB, BC и AC отмечены точки C 1 , и соответственно (риса) Если отрезки Аи С пересекаются водной точке, то A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = 1. (1) б) Если верно равенство (1), то отрезки Аи С пересекаются водной точке. На рисунке 1 изображен случай, когда отрезки Аи С пересекаются водной точке внутри треугольника. Это так называемый случай внутренней точки. Теорема Чевы справедлива ив случае внешней точки, когда одна из точек А, B 1 или С принадлежит стороне треугольника, а две другие — продолжениям сторон треугольника. В этом случае точка пересечения отрезков Аи С лежит вне треугольника (рис. 2). Рис. 1 Рис. 2 Как запомнить равенство Чевы? Обратим внимание на прием запоминания равенства (1). Вершины треугольника в каждом отношении и сами отношения записываются в направлении обхода вершин треугольника ABC, начиная сточки. От точки A идем к точке B, встречаем точку С, записываем дробь B C AC 1 1 . Далее от точки В идем к точке С, встречаем точку А, записываем дробь C A BA 1 1 . Наконец, от точки С идем к точке А, встречаем точку В, записываем дробь 1 Работа поддержана РГНФ проекта. В случае внешней точки порядок записи дробей сохраняется, хотя две точки деления отрезка оказываются вне своих отрезков. В таких случаях говорят, что точка делит отрезок внешним образом. Отметим, что любой отрезок, соединяющий вершину треугольника с любой точкой прямой, содержащей противоположную сторону треугольника, называют чевианой. Рассмотрим несколько способов доказательства утверждения а) теоремы Чевы для случая внутренней точки. Чтобы доказать теорему Чевы, надо доказать утверждение а) любым из предложенных ниже способов, а также доказать утверждение б. Доказательство утверждения б) приведено после первого способа доказательства утверждения а. Доказательства теоремы Чевы для случая внешней точки проводятся аналогично. Доказательство с помощью теоремы о пропорциональных отрезках I способа) Пусть три чевианы AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются в точке Z внутри треугольника ABC. Идея доказательства заключается в том, чтобы отношения отрезков из равенства (1) заменить отношениями отрезков, лежащих на одной прямой. Через точку В проведем прямую, параллельную чевиане СС 1 . Прямая АА 1 пересекает построенную прямую в точке М,а прямая, проходящая через точку C и параллельная АА 1 , — в точке Т. Через точки Аи С проведем прямые, параллельные чевиане ВВ 1 . Они пересекут прямую ВМ в точках N и R соответственно (рис. 3). По теореме о пропорциональных отрезках имеем TM BM C A BA 1 1 , BN BR A B CB 1 1 и BM BN ZM AZ B С AС 1 Тогда справедливы равенства B С AС A B CB C A BA 1 1 1 1 1 1 = BM BN TM BN BR BM = В параллелограммах Си СВ отрезки TM, Си В равны как противоположные стороны параллелограмма. Следовательно, TM BR = 1 и верно равенство A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = 1. Утверждение а) теоремы Чевы доказано. При доказательстве утверждения б) используем следующее утверждение. Лемма 1. Если точки Си С делят отрезок AB внутренним (или внешним) образом водном и том же отношении, считая от одной и той же точки, то эти точки совпадают. Докажем лемму для случая, когда точки Си С делят отрезок AB внутренним образом водном и том же отношении B C AC B C AC 1 1 2 Рис. 3 Доказательство Из равенства B C AC B C AC 1 1 2 2 следуют равенства B C B C B C AC B C B C B C AC 1 1 1 1 2 2 2 и B C AB B C AB 1 2 . Последнее из них выполняется лишь при условии, что Си С равны, те. при условии, что точки Си С совпадают. Доказательство леммы для случая, когда точки Си С делят отрезок AB внешним образом проводится аналогично. 3 Доказательство утверждения б) теоремы Чевы Пусть теперь верно равенство (1). Докажем, что отрезки Аи С пересекаются водной точке. Пусть чевианы АА 1 и ВВ 1 пересекаются в точке Z, проведем через эту точку отрезок С (С лежит на отрезке AB). Тогда на основании утверждения а) получаем верное равенство A B CB C A BA B C AC 1 1 1 1 2 2 = 1. (2) Из сравнения равенств (1) и (2) заключаем, что B C AC B C AC 1 1 2 2 , те. точки Си С делят отрезок AB водном и том же отношении, считая от одной и той же точки. Из леммы 1 следует, что точки Си С совпадают. Это означает, что отрезки Аи С пересекаются водной точке, что и требовалось доказать. Задание 1. Докажите, что процедура записи равенства (1) не зависит, оттого, от какой точки ив каком направлении совершается обход вершин треугольника. Задание 2. Найдите длину отрезка А на рисунке 4, на котором указаны длины других отрезков. Рис. 4 Ответ 8. Задание 3. Чевианы AM, BN, CK пересекаются водной точке внутри треугольника ABC. Найдите отношение CN:NA, если AK:KB = 3:4, BM:MC = 6:5. Ответ 10:9. Задание 4. С помощью теоремы Чевы докажите, что а) три медианы треугольника пересекаются водной точке б) три биссектрисы треугольника пересекаются водной точке в) три высоты остроугольного треугольника пересекаются водной точке. Приведем доказательство утверждения виз учебника [1]. Доказательство Пусть в остроугольном треугольнике ABC точки A 1 , B 1 , C 1 лежат на сторонах BC, AC и AB соответственно (рис. 5). Прямоугольные треугольники AA 1 C и подобны по двум углам, поэтому C B CA 1 1 = Аналогично из подобия прямоугольных треугольников и CC 1 B, BB 1 A и CC 1 A следует, что верны равенства B A BC 1 1 = AB BC , A C AB 1 1 = Перемножив три полученные равенства, получим A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = 1. Рис. 5 Равенство (1) доказано. Из теоремы Чевы следует, что три высоты остроугольного треугольника пересекаются водной точке. Задание 5. Докажите утверждение виз задания 4 без применения подобия треугольников. Задание 6. Три окружности касаются друг друга внешним образом. Центр каждой окружности соединили отрезком сточкой касания двух других окружностей. Докажите, что эти отрезки пересекаются водной точке. Задание 7. Докажите, что прямые, проходящие через вершины треугольника и точки касания вписанной окружности, пересекаются водной точке. Эту точку называют точкой Жергона. 4 Вневписанная окружность — это окружность, касающаяся стороны треугольника и продолжений двух других его сторон. Её центр является точкой пересечения биссектрис двух внешних углов треугольника (рис. 6). Рассмотрим задания 8 и 9, с помощью которых будет решено задание 10. Задание 8. Докажите, что каждая точка касания вневписанной окружности делит периметр треугольника пополам, те. если А — точка касания вневписанной окружности, принадлежащая стороне С треугольника АС, то АС + СА 1 = = А + BA 1 (рис. 6). Решение Рассмотрим вневписанную окружность, касающуюся стороны АВ треугольника ABC и продолжений сторон AC ив точках C 1 , M и N соответственно. По свойству касательных, проведенных из одной точки к окружности, СМ = САМ АСС, поэтому CA + С = С + BC. Это означает, что точка С делит периметр треугольника пополам. Аналогично показывается, что каждая из точек A 1 и B 1 — точек касания вневписанных окружностей со сторонами треугольника — делит периметр треугольника пополам, что и требовалось доказать. Рис. 6 Задание 9. Три вневписанные окружности касаются сторон треугольника ABC в точках A 1 , и C 1 , принадлежащих сторонами соответственно. BC = a, AC = b, Ас. Выразите через a, b и c длины отрезков, на которые точки касания делят стороны треугольника. Решение. Так как СМ = Сто АМ = АСС. Аналогично получаем, что АВ 1 = p – с, С = p – a, АСА с (рис. 6). Задание 10. Пусть дан треугольник ABC. Вневписанные окружности касаются его сторон AB, BC ив точках C 1 , и соответственно. Докажите, что отрезки AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются водной точке. Эту точку называют точкой Нагеля. Задание 11. Докажите теорему Чевы для случая внешней точки. Задание 12. С помощью теоремы Чевы докажите, что три прямые, содержащие высоты тупоугольного треугольника, пересекаются водной точке. Доказательства с помощью подобия треугольников Приведем доказательство теоремы Чевы из статьи [2]. Его идея заключается в том, чтобы заменить отношения отрезков из равенства (1) отношениями отрезков, лежащих на параллельных прямых. II способа) Пусть прямые AA 1 , BB 1 , CC 1 пересекаются в точке O внутри треугольника АВС рис. 7). Через вершину С треугольника АВС проведем прямую, параллельную AB, и ее точки пересечения с прямыми AA 1 , BB 1 обозначим соответственно A 2 , B 2 . Из подобия двух пар треугольников и ABB 1 , и CA 2 A 1 , имеем равенства 2 1 1 СB AB С B AB , AB СA B A СA 2 1 1 (3) Из подобия треугольников Си, Си имеем равенства 2 1 1 2 1 СA A C OC O С СB BС , из которых следует, что Рис. 7 2 2 1 1 CA СB A C BС (4) Перемножив равенства (3) и (4), получим равенство (1). 5 Утверждение а) теоремы Чевы доказано. III способа) Пусть три чевианы AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются в точке Z внутри треугольника ABC. Из вершин треугольника ABC проведем высоты к трем чевианам (рис. 8). Треугольники AMC 1 и подобны по двум углам, поэтому верно равенство BN AM B C AC 1 Аналогично верны равенства CT BP C A BA 1 1 и RA CS A B CB 1 1 , откуда следует, что A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = RA CT BN CS BP AM (5) Выразив в равенстве (5) шесть отрезков через отрезки AZ, BZ и CZ с помощью синусов углов , и , получим верные равенства A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = AR CT BN CS BP AM = = sin sin sin sin sin sin AZ CZ BZ CZ BZ AZ = 1. Рис. 8 Утверждение а) теоремы Чевы доказано. IV способа) Пусть три чевианы AA 1 , BB 1 и пересекаются в точке Z внутри треугольника ABC. Через точку С проведем прямую, параллельную чевиане ВВ 1 и пересекающую прямую АА 1 в точке M. Через точку А проведем прямую, параллельную чевиане ВВ 1 и пересекающую прямую CC 1 в точке рис. 9). Используя теорему о пропорциональных отрезках и подобие треугольников, запишем равенства BZ AN B С AС 1 1 , CM BZ C A BA 1 1 , AN CM NZ CZ A B CB 1 Тогда A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = AN CM BZ CM BZ AN = 1. Утверждение а) теоремы Чевы доказано. Рис. 9 Доказательства с помощью площадей Рассмотрим доказательства теоремы Чевы с помощью площадей. Первое из них, изложенное в книге А.Г. Мякишева [3], простое и опирается на утверждения, которые мы сформулируем в виде заданий 12 и 13. Задание 13. Отношение площадей двух треугольников с общей вершиной и основаниями, лежащими на одной прямой, равно отношению длин этих оснований. Докажите это утверждение. Задание 14. Докажите, что если d c b a , то d b c a b a и d b c a b a V способа) Пусть отрезки Аи CС 1 пересекаются в точке Z рис. 10), тогда Рис. 10 6 BC C C AC S S B C AC 1 1 1 1 , BZ C Z AC S S B C AC 1 1 1 1 (6) Из равенств (и второго утверждения задания 14 следует, что BZ C BC C Z AC C AC S S S S B C AC 1 1 1 1 1 или BCZ ACZ S S B C AC 1 1 . Аналогично получим, что ACZ ABZ S S C A BA 1 1 и ABZ BCZ S S A B CB 1 1 . Перемножив три последние равенства, получим A B CB C A BA B C AC 1 1 1 1 1 1 = ABZ BCZ ACZ ABZ BCZ ACZ S S S S S S = 1, те. верно равенство (1), что и требовалось доказать. Утверждение а) теоремы Чевы доказано. Отношение площадей треугольников с общим основанием, которое использовалось в приведенном способе доказательства, можно получить другим способом. Приведем доказательство теоремы Чевы из статьи [4]. VI способа) Пусть прямые AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются в точке O. Опустим из вершин Аи В треугольника АВС перпендикуляры AA 0 , BB 0 напрямую рис. 11). Треугольники и В подобны, следовательно, BOC AOC S S BB AA B С AС 0 0 1 Аналогичным образом получаем, что COA BOA S S C A BA 1 1 и AOB COB S S A B CB 1 Перемножив полученные равенства, получим A B CB C A BA B С AС 1 1 1 1 1 1 = 1. Утверждение а) теоремы Чевы доказано. Задание 15. Пусть чевианы пересекаются водной точке внутри треугольника и разбивают его на 6 треугольников, площади которых равны S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 рис. 12). Докажите, что 6 4 2 5 3 Рис. 11 Рис. 12 Задание 16. Найдите площадь S треугольника CNZ (площади других треугольников указаны на рисунке 13). Ответ 15. Задание 17. Найдите площадь S треугольника CNO, если площадь треугольника А равна 10 ирис. Ответ 30. Задание 18. Найдите площадь S треугольника CNO, если площадь треугольника А равна 88 ирис Рис. 13 Рис. 14 Решение Так как AK:KB = 2:3, то обозначим S AKO = 2x, В = 3x. Так как BM:MC = = 1:2, то обозначим S ВМO = y, СМ = 2y. Из теоремы Чевы следует, что 2 1 3 2 NA CN = 1, и тогда NA CN = 3. Если S CNO = S, то S ANO = 3 S (рис. 15). У нас три неизвестные величины (x, y и S), поэтому для нахождения S составим три уравнения. Так как S AВС = 88, то 3 4S + 3y + 5x = 88. Так как S AOС :S ВOС = 2:3, то 3 3 2 3 4 y S , откуда 3y = 2S. Так как ВАС = 1:2, то 5x = 2 3 4S = 3 Итак, 3 4S + 2S + 3 2S = 88, откуда S = 22. Задание 19 (МГУ, заочные подготовительные кур- сы).В треугольнике ABC точки K и L принадлежат соответственно сторонами точка пересечения отрезков AL и CK. Площадь треугольника PBC равна 1. Найдите площадь треугольника. Рис. 15 Ответ 1,75. Задание 20 (Теорема Жергона и ее следствие Докажите, что если прямые, соединяющие вершины треугольника ABC с точками противоположных сторон A 1 , B 1 и C 1 , пересекаются в точке Z, то верно равенство а) C C ZC B B ZB A A ZA 1 1 1 1 1 1 = 1; б) C C ZC B B ZB A A ZA 1 1 1 = 2. Идея доказательства теоремы Жергона заключается в замене отношений длин отрезков отношениями площадей. Покажем применение этой идеи при доказательстве более сложного утверждения. Задание 21. Докажите, что если прямые, соединяющие вершины треугольника ABC с точками противоположных сторон A 1 и B 1 , взятыми на продолжениях сторон BC и AC соответственно, и точкой C 1 , взятой на стороне AB, пересекаются в точке Z рис. 16), то а) 1 1 1 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = 1; б) 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = 0. 8 Доказательство а) Пусть h a , h b , h c — высоты треугольника ABC, H a , H b , H c — расстояния от точки Z до прямых BC, AC, AB соответственно. Из подобия прямоугольных треугольников с общим острым углов имеем a a h H AA ZA 1 1 . Отношение равно отношению площадей треугольников ZBC и ABC с общим основанием BC: ABC ZBC a a S S h H , те. Аналогично получим, что 1 1 BB ZB = ABC ZAC b b S S h H и 1 1 CC ZC = ABC ZAB c c S S h H Тогда 1 1 1 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = ABC ZAB ABC ZAC ABC ZBC S S S S S S = = ABC ZAB ZAC ZBC S S S S = ABC ABC S S = 1, что и требовалось доказать. Рис. 16 б) Преобразуем левую часть доказываемого равенства, используя результат, полученный при выполнении задания 21 (а 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CC ZC CC BB ZB BB AA ZA AA = = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = 1 – 1 1 1 1 1 1 CC ZC BB ZB AA ZA = 1 – 1 = 0, что и требовалось доказать. Теорема Менелая Пусть дан треугольники на его сторонах AC и В отмечены точки B 1 и соответственно, а на продолжении стороны AB отмечена точка C 1 (риса) Если точки Аи С лежат на одной прямой, то A C BC B A CA C B AB 1 1 1 1 1 1 = 1. (7) б) Если верно равенство (7), то точки Аи С 1 лежат на одной прямой. Рис. 17 Как запомнить равенство Менелая? Прием запоминания равенства (7) тот же, что и для равенства (1). Вершины треугольника в каждом отношении и сами отношения записываются в направлении обхода вершин треугольника ABC — от вершины к вершине, проходя через точки деления внутренние или внешние. Задание Докажите, что при записи равенства (7) от любой вершины треугольника в любом направлении получается один и тот же результат. Чтобы доказать теорему Менелая, надо доказать утверждение а) любым из предложенных ниже способов, а также доказать утверждение б. Доказательство утверждения б) приведено после первого способа доказательства утверждения а. Доказательство с помощью теоремы о пропорциональных отрезках I способа) Идея доказательства заключается в замене отношений длин отрезков в равенстве (7) отношениями длин отрезков, лежащих на одной прямой. Пусть точки Аи С лежат на одной прямой. Через точку C проведем прямую l, параллельную прямой А, она пересекает прямую А в точке M (рис. 18). 9 Рис. 18 По теореме о пропорциональных отрезках имеем M C A C C B AB 1 1 1 1 и 1 1 1 1 BC M C B A CA Тогда верны равенства A C BC B A СA С B AB 1 1 1 1 1 1 = A C BC M C BC M C A C 1 1 1 1 1 1 = 1. Утверждение а) теоремы Менелая доказано. Доказательство утверждения б) теоремы Менелая Пусть теперь верно равенство (7), докажем, что точки А, B 1 и С 1 лежат на одной прямой. Пусть прямые Аи А пересекаются в точке С (рис. 19). Так как точки Аи С лежат на одной прямой, то по утверждению а) теоремы Менелая A C BC B A СA С B AB 2 2 1 1 1 1 = 1. (8) Из сравнения равенств (7) и (8) имеем A C BC A C BC 1 1 2 2 , откуда следует, что верны равенства B C AC B C AC 1 1 2 2 , B C BC AB 2 2 = B C BC AB 1 1 , B C AB B C AB 1 Последнее равенство верно лишь при условии С = Ст. е. если точки Си С совпадают. Рис. 19 Утверждение б) теоремы Менелая доказано. Доказательства с помощью подобия треугольников II способа) Идея доказательства заключается в том, чтобы заменить отношения длин отрезков из равенства (7) отношениями длин отрезков, лежащих на параллельных прямых. Пусть точки Аи С лежат на одной прямой. Из точек A, B и C проведем перпендикуляры АА 0 , BB 0 и СС 0 к этой прямой (рис. 20). Рис. 20 Из подобия трех пар треугольников и CC 0 B 1 , и BB 0 A 1 , C 1 B 0 B и C 1 A 0 A (по двум углам) имеем верные равенства 10 0 0 1 1 CC AA C B AB , 0 0 1 1 BB CC B A CA , 0 0 1 1 AA BB A C BC , перемножив их, получим A C BC B A CA C B AB 1 1 1 1 1 1 = 0 0 0 0 0 0 AA BB CC BB CC AA = 1. Утверждение а) теоремы Менелая доказано. III способа) Уменьшим число используемых пар подобных треугольников. Пусть точки Аи С лежат на одной прямой. Через точку B проведем прямую l, параллельную прямой АС, она пересекает прямую А в точке M (рис. 21). Из подобия двух пар треугольников AB 1 C и BMC 1 , и MBA 1 имеем Рис. 21 1 1 1 BC A C BM AB и 1 С (9) Перемножив равенства (9), получим, что 1 1 1 1 1 1 CA BС B A A C С B AB , откуда следует, что A C BC B A CA C B AB 1 1 1 1 1 1 = A C B A CA BС BС CA B A A C 1 1 1 1 1 1 1 1 = 1. Утверждение а) теоремы Менелая доказано. Доказательство с помощью площадей Идея доказательства заключается в замене отношения длин отрезков из равенства (7) отношениями площадей треугольников. IV способа) Пусть точки Аи С лежат на одной прямой. Соединим точки C и Обозначим площади треугольников S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 (рис. 22). Рис. 22 Тогда справедливы равенства 2 1 1 1 S S C B AB , 4 3 1 1 S S B A CA , 5 4 4 1 1 S S S A C B C (10) Перемножив равенства (10), получим ) ( 5 4 2 3 1 1 1 1 1 1 1 S S S S S A C B C B A CA C B AB 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 5 4 1 B A C A C A B A S S S S S = 1. Утверждение а) теоремы Менелая доказано. Подобно тому, как теорема Чевы остается справедливой ив том случае, если точка пересечения чевиан находится вне треугольника, теорема Менелая остается справедливой ив том случае, если секущая пересекает только продолжения сторон треугольника. В этом случае можно говорить о пересечении сторон треугольника во внешних точках. 11 Доказательство для случая внешних точек а) Пусть секущая пересекает стороны треугольника ABC во внешних точках, те. пересекает продолжения сторон AB, BC ив точках C 1 , A 1 и B 1 соответственно и эти точки лежат на одной прямой (рис. По теореме о пропорциональных отрезках имеем M C A C C B AB 1 1 1 1 и 1 1 1 1 BC M C B A CA Тогда верны равенства A C BC B A СA С B AB 1 1 1 1 1 1 = A C BC M C BC M C A C 1 1 1 1 1 1 = 1. Утверждение а) теоремы Менелая доказано. Заметим, что приведенное доказательство совпадает с доказательством теоремы Менелая для случая, когда секущая пересекает две стороны треугольника во внутренних точках и одну во внешней. Рис. 23 Доказательство утверждения б) теоремы Менелая для случая внешних точек аналогично доказательству, приведенному выше. Задание 23. В треугольнике АВС точки А, В лежат соответственно на сторонах ВС и Сточка пересечения отрезков АА 1 и ВВ 1 . AВ 1 :В 1 C = = 7:8, CA 1 :A 1 B = 4:3. Найдите отношение ВP:PВ 1 . Решение Обозначим В 7m, В = 8m, CA 1 = 4k, A 1 B = 3k (рис. 24). По теореме Менелая для треугольника В и секущей PA 1 запишем верное равенство B A CA AC A B PB BP 1 1 1 1 = 1, откуда следует, что 28 45 4 3 7 15 1 1 Ответ 28 Рис. 24 Задание 24 МГУ, заочные подготовительные курсы).В треугольнике АВС, площадь которого равна 6, на стороне АВ взята точка К,делящая эту сторону в отношении АК:ВК = 2:3, а на стороне АС — точка делящая АС в отношении АС = 5:3. Точка P пересечения прямых СК и В удалена от прямой АВ на расстояние 1,5. Найдите длину стороны АВ. Решение Из точек Р и С опустим перпендикуляры и СМ напрямую. Обозначим АК = 2n, ВК = 3n, AL = 5m, С = 3m рис. 25). По теореме Менелая для треугольника AKC и секущей PL запишем верное равенство BA KB PK CP LC AL = 1, откуда получим, что PK CP = n n m m 3 5 5 3 = 1, CP = KP. Рис. 25 Из подобия треугольников К и К (по двум углам) получим, что PR MC = PK KC , откуда следует, что CM = 3. Теперь, зная длину высоты, проведенной к стороне AB треугольника Си площадь этого треугольника, вычислим длину стороны AB = 3 2 6 = 4. Ответ 4. 12 Задание 25. Три окружности с центрами А В С, радиусы которых относятся как 11:12:9, касаются друг друга внешним образом в точках X, Y, Z как показано на рисунке 26. Отрезки AX и BY пересекаются в точке В каком отношении, считая от точки B, отрезок CZ делит отрезок BY? Решение Обозначим А = 11k, CX = 9k, BZ = 12k рис. 26). Так как ZA BZ XB CX YC AY = k k k k k k 12 11 9 12 9 11 = 1, то по утверждению б) теоремы Чевы отрезки Аи С пересекаются водной точке — точке O. Тогда отрезок CZ делит отрезок BY в отношении Найдем это отношение. Рис. 26 По теореме Менелая для треугольника BCY и секущей OX имеем XB CX AC YA OY BO = 1, откуда следует, что OY BO = k k k k 9 12 11 20 = 33 Ответ 33 Задание 26 (Теорема Паскаля Точки пересечения противоположных сторон вписанного в окружность шестиугольника лежат на одной прямой. Доказательство. Пусть дан шестиугольник ABCDEF, вписанный в окружность. Продолжения противоположных сторон AB и DE, BC и EF, CD и FA шестиугольника пересекаются в точках G, H и K соответственно (рис. 27). Рис. 27 Пусть прямые AB и EF, AB и С, Си пересекаются в точках L, M и N соответственно (точки L и G находятся за пределами рисунка. По теореме Менелая для треугольника LMN имеем верные равенства EL DN GM NE MD LG = 1, AM FL KN LA NF MK = 1, CN BM HL MC LB NH = 1. Перемножив их, получим, что CN BM HL AM FL KN EL DN GM MC LB NH LA NF MK NE MD LG = 1. (11) 13 Из теоремы о свойстве секущих, проведенных к окружности из одной точки, следует, что верны равенства Сократив равные произведения отрезков в левой части равенства (11), получим верное равенство HL KN GM NH MK LG = 1, означающее, на основании утверждения б) теоремы Менелая для случая внешних точек, что точки G, H и K лежат на одной прямой. Задание 27. Докажите, что середины оснований трапеции, точка пересечения ее диагоналей и точка пересечения продолжений ее боковых сторон лежат на одной прямой. В статье И.Ф. Шарыгина [5] нашлось утверждение, которое мы сформулируем ниже. Отметим только, что его доказательство было получено как следствие теоремы Чевы, записанной в форме синусов. Так как у нас эта техника не использовалась, то приведем иное доказательство того же утверждения. Для этого докажем теорему о вписанном шестиугольнике. Лемма 2. Если точки F и F 1 принадлежит дуге AE окружности и A F EF FA EF 1 1 , то точки F и F 1 совпадают. Доказательство Пусть точка F 1 принадлежат дуге AFE окружности и A F EF FA EF 1 Проведем биссектрисы вписанных углов AFE и AF 1 E. Они пересекутся в середине дуги AE, не содержащей точек F и F 1 , и пересекут хорду AE в точках M ирис. В треугольниках AFE и AF 1 E по свойству биссектрисы угла имеем MA EM FA EF и NA EN A F EF 1 1 . Так как A F EF FA EF 1 1 по условию, тот. е. точки M и N делят один и тот же отрезок водном и том же отношении, считая от одной и той же точки. Тогда точки M и N совпадают (лемма 1) и точки F и F 1 совпадают, что и требовалось доказать. Рис. 28 Теорема о вписанном шестиугольнике Пусть шестиугольник ABCDEF вписан в окружность. а) Если его диагонали AD, BE, CF пересекаются водной точке, то верно равенство FA EF DE CD BC AB = 1. (12) б) Если верно равенство, то диагонали AD, BE, CF шестиугольника ABCDEF пересекаются водной точке. Доказательство а) Пусть шестиугольник ABCDEF вписан в окружность и его диагонали AD, BE, CF пересекаются в точке O рис. 29). Имеется три пары треугольников, подобных по двум углам (вертикальные углы равны, вписанные углы, опирающиеся на одну дугу окружности, равны AOB и EOD, BOC и FOE, COD и AOF. Их стороны пропорциональны, поэтому верны равенства Рис. 29 DO BO DE AB , BO FO BC EF , FO DO FA CD (13) Перемножив равенства (13), получим равенство (12). Утверждение а) теоремы о вписанном шестиугольнике доказано. б) Пусть теперь шестиугольник ABCDEF вписан в окружность и выполняется равенство (12). Докажем, что диагонали AD, BE, CF пересекаются водной точке. 14 Через точку O пересечения диагоналей AD и BE проведем луч CO. Этот луч пересечет окружность в точке F 1 . Тогда по утверждению а) теоремы о вписанном шестиугольнике верно равенство A F EF DE CD BC AB 1 1 = 1. (14) Из равенств (12) и (14) следует, что для точек F и F 1 , принадлежащих дуге AE окружности, выполняется равенство A F EF FA EF 1 1 . Это означает, что точки F и F 1 совпадают лемма 2), а диагонали AD, BE, CF пересекаются водной точке. Утверждение б) теоремы о вписанном шестиугольнике доказано. Задание 28. Докажите, что если противоположные стороны вписанного шестиугольника равны, то его диагонали AD, BE, CF пересекаются водной точке. Теперь сформулируем утверждение 5 из статьи И.Ф. Шарыгина в виде очередного задания. Задание 29. Пусть из точки A, взятой вне окружности, проведены две касательные AM и AN к окружности и две секущие, и пусть P и Q — точки пересечения окружности с первой секущей, а точки K и L — со второй. Тогда прямые PK, QL и MN пересекаются водной точке (рис. 30). Докажите это. Рис. 30 Рис. 31 Доказательство Рассмотрим шестиугольник PLNKQM рис. 31). Треугольники APM и AMQ, ALN и ANK подобны по двум углам, следовательно, их стороны пропорциональны AQ AM QM MP , AK AN NK LN (15) Из подобия треугольников AQL и AKP (по двум углам) имеем AP AL AK AQ , или AQ AL AK AP . Тогда треугольники APL и AKQ подобны (по двум сторонами углу между ними, а их стороны пропорциональны AL AQ PL KQ (16) Перемножив равенства (15) и (16), получим AL AQ AK AN AQ AM PL KQ NK LN QM MP (17) Так как касательные AM и AN равны и верно равенство AL AK AM 2 , то из равенства (17) следует, что QM KQ NK LN PL MP = 1. Тогда по теореме о вписанном шестиугольнике диагонали PK, QL и MN пересекаются водной точке, что и требовалось доказать. Рис. 32 15 Из утверждения 5, — писал Игорь Федорович, — следует, что с помощью одной линейки через данную точку вне окружности можно провести касательную. Способ построения показан на рисунке 32. До сих пор мы доказывали, что прямые пересекаются водной точке, что три точки лежат на одной прямой и т. па утверждение 5 позволяет решить красивую задачу на построение с ограниченными средствами. Задание 30. На рисунке 32 показано, как с помощью одной линейки через данную точку вне окружности провести касательную. Дайте обоснование этому способу построения. Выражаю благодарность учителям физматшколы № 2007 г. Москвы П.В. Чулкову, Д.В. Прокопенко, НА. Ленской за участие в обсуждении статьи и полезные советы. Особая благодарность за ценные редакционные замечания доценту кафедры прикладной математики Самарского аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева СВ. Дворянинову, а также В.М. Бусеву. Литература 1. Геометрия. Дополнительные главы к учебнику 8 класса Учебное пособие для учащихся школ и классов с углубленным изучением / Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др. — М Вита- Пресс, 2005. — 208 с. 2. Смирнова ИМ, Смирнов В.А. Замечательные точки и линии треугольника // Математика. — 2006. — № 17. 3. Мякишев А.Г. Элементы геометрии треугольника. — М МЦНМО, 2002. (Библиотека Математическое просвещение. 4. Эрдниев П, Манцаев Н. Теоремы Чевы и Менелая // Квант. — 1990 — № 3. — С. 56 – 59. 5. Шарыгин И.Ф. Теоремы Чевы и Менелая // Квант. — 1976. — № 11. — С. 22 – 30. 6. Вавилов В.В. Медианы и средние линии треугольника // Математика. — 2006. — № 1. — С. 11 – 15. 7. Ефремов Дм. Новая геометрия треугольника. Одесса, 1902. — 334 с. |