БИБЛИОТЕКА РУСАНОВСКОГО ЛИЦЕЯ

Г. Филипповский

АВТОРСКАЯ ШКОЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ

части 1 и 2

Григорий Филипповский

Авторская школьная геометрия

Части 1 и 2

Оглавление

От автора................................................................................................................4

Часть 1

Глава 1 Четыре истории о Фалесе Милетском...........................................7

Глава 2 Гимн теореме Фалеса.......................................................................10

Глава 3 Пифагор. Теорема Пифагора. Задачи на построение............15

Глава 4 Евклид - коллекционер ярчайших задач!..................................22

Глава 5 Евклид и задачи с недоступными точками................................26

Глава 6 Евклид и построение четвертого пропорционального...........32

Глава 7 Леммы Архимеда из Сиракуз........................................................36

Глава 8 Задачи Архимеда с прямоугольным треугольником.............39

Глава 9 Лемма Архимеда о трисекции угла. «Метод вставок»...........44

Глава 10 Мысленное кругосветное путешествие Эратосфена............48

Глава 11 «Досье» на окружность Аполлония...........................................51

Глава 12 Вариации на тему одной задачи Аполлония..........................61

Глава 13 Геронов треугольник и... почти вся геометрия.......................64

Глава 14 Выручает (порой неожиданно) теорема Птолемея................71

Глава 15 Теорема Птолемея и тригонометрия.........................................79

Часть 2

Глава 1 Менелай «обыкновенный».............................................................83

Глава 2 Менелай «со звездочкой»................................................................94

Глава 3 Последний геометр Эллады.........................................................103

Глава 4 Вписанный четырехугольник Брахмагупты............................112

Глава 5 Помогает формула Брахмагупты...............................................120

Глава 6 Геометрические задачи Бхаскары..............................................126

Глава 7 «Смотри!» - педагогическое открытие Бхаскары...................130

Глава 8 Аль-Хорезми и геометрические решения алгебраических уравнений........................................................................................142

Глава 9 Сабит ибн Корра: второе рождение сочинений Архимеда, Аполлония и Менелая..................................................................145

Глава 10 Абу-л-Вафа и циркуль постоянного раствора......................153

Глава 11 Аль-Беруни и теорема Архимеда.............................................159

Глава 12 Олимпиадный треугольник Аль-Беруни...............................165

Литература..........................................................................................................170

От автора

Уважаемые читатели!

У вас в руках первая и вторая части книги «Авторская школьная геометрия». В ней представлены задачи, авторами которых являются выдающиеся древнегреческие математики, математики древней Индии, стран арабского халифата. Небольшие главы рассказывают о том, как создавались эти задачи, какие обстоятельства вызвали их к жизни.

Чтобы понять что-то важное, нужно непременно вернуться к истокам.

Авторские задачи интересны сами по себе. Они позволяют проследить ход мыслей великих людей, помогают связать геометрию древнюю с современной.

Автор верит, что эта книга доставит радость всем любителям геометрии: от школьника до преподавателя вуза, поможет читателю расширить свой математический кругозор и общую эрудицию, побудит к самостоятельной научно-исследовательской работе.

Авторская школьная геометрия

Часть 1

Древняя Греция: от Фалеса до Птолемея

Глава 1

Четыре истории о Фалесе Милетском

Можем ли мы назвать фамилию математика, который жил и работал до Фалеса из Милета? Нет! Судя по всему, Фалес (~ 640-546 гг. до н.э.) был первым. Он первым выдвинул и применил идею доказательства в геометрии. Фалес доказал, что: вертикальные углы равны; любая хорда меньше диаметра; диаметр делит круг пополам; углы при основании равнобедренного треугольника равны; вписанный угол, опирающийся на диаметр, прямой. И, разумеется, он первым доказал теорему, которая с тех пор носит его имя. Не случайно в Греции Фалеса считали одним из семи мудрецов мира и сложили о нем немало легенд. Некоторые из них дошли до нас через века. Соответствуют ли эти легенды действительности или они лишь плод фантазии поклонников выдающегося мыслителя - мы не знаем. Но вот какие истории о Фалесе Милетском дошли до наших дней.

История 1 рассказывает о том, как юноша Фалес помогал защищать родной Милет от кораблей неприятеля. Вообразим, что мы смотрим на события с высоты птичьего полета. Защитники крепости из катапульты К стараются попасть в корабль N (рис.1). Но вода «скрадывает» расстояние, и все камни летят мимо.

рис.1

- Сейчас я точно подсчитаю расстояние до корабля! - уверенно заявляет друзьям Фалес. Они недоверчиво улыбаются, а кое-кто даже крутит пальцем у виска: что ты друг, с ума сошел? Но Фалес этого не видит, поскольку уже делает измерения. Он проходит вдоль передней линии некоторое расстояние КС (рис.2) и в точке С вбивает в землю колышек на высоту своего роста. Затем проходит еще столько же: CD = КС и, повернувшись на 90°, идет внутрь крепости. Как только в некоторой точке Т его глаз совмещает верх колышка и центральную мачту корабля, Фалес кричит: «Я вычислил! Расстояние до корабля найдено!».

рис.2

Действительно, ATDC = ANKC - по катету и острому углу. Итак, TD = NK . Таким образом, подсчитав TD, можно точно определить оптимальное боевое положение катапульты и защитить от врагов родной город.

История 2 о том, как, странствуя по Египту, Фалес был поражен величием пирамиды Хеопса.

- Скажите пожалуйста, какова высота пирамиды? - спросил он жрецов.

- О, это дано знать разве что Богу Солнца Ра, а не человеку, - ответили жрецы.

- Минуточку, сейчас я точно подсчитаю высоту пирамиды! - уверил их Фалес. Он вышел на Солнце и измерил длину своей тени. Тень оказалась вдвое больше роста Фалеса. Из этого он сделал вывод, что в данный момент все предметы имеют тень вдвое большую, чем сами предметы. Остается вычислить длину тени пирамиды Хеопса. Она равна OK , или ON + NK , или TD+NK (рис.3). Расстояния TD = -^AD и NK легко измеряются, т.е. находится OK = TD + NK . А высота пирамиды SO = -^ОК.

Вы думаете, жрецы были в восторге от ума и изобретательности Фалеса? Вовсе нет. Они пришли в ужасное негодование. Еще бы! То, что вообще не дано познать ничтожному человеку, какой-то там грек из Милета вычислил почти мгновенно!.. Такое не прощают! И египетские жрецы решили убить Фалеса. К счастью, один из них оказался порядочным человеком и посоветовал Фалесу скорей садиться на корабль, который вот-вот отплывал из Египта.

рис.3

История 3 связана с задачами на построение, автором которых также считается Фалес. Он предложил выполнять задачи на построение с помощью циркуля и линейки, которая не имеет делений. Эти задачи очень понравились друзьям и ученикам Фалеса.

Разделить данный отрезок пополам? Никаких проблем! Построить угол, равный данному? Проще простого! Разделить данный угол пополам? Пожалуйста!

Вдохновленные примером учителя, ученики Фалеса сами стали составлять задачи на построение. Одна из них оказалась «крепким орешком», но Фалес решил ее!

Разделить данный отрезок на 3 равные части.

Решение. Пусть дан отрезок AB, который нужно разделить на 3 равные части. Из точки А проведем луч t и отложим на нем три произвольных, но равных отрезка АК = KN = NT (рис.4). Соединим точки Т и В . Отрезок ТВ опреде-

лит направление, в котором необходимо провести параллельные прямые. Итак, через N и К проводим соответственно прямые П и к параллельно ТВ . По теореме, которая носит имя Фалеса, прямые п и к разделят отрезок AB на 3 равные части. Заметим, что таким способом мы можем разделить отрезок AB на сколько угодно равных частей.

рис. 4

История 4 об увлечении Фалеса астрономией.

Однажды Фалес засмотрелся на звезды и не заметил рядом с собой ямы. Он упал и больно ударился. Женщина, оказавшаяся рядом, посмеялась над ним: - Ха-ха, все смотришь в небо и совсем не видишь, что делается у тебя под ногами!...

Действительно, в чем-то эта женщина была права: лучше не падать в яму -опасно для жизни!

Но если бы Фалес не наблюдал небосвод, моряки того времени не знали, как ночью ориентироваться по Малой Медведице (именно в этом созвездии находится Полярная звезда).

Астрономические исследования подсказали великому математику идею 365-дневного календаря. Фалес определил размеры Солнца и угловую величину Луны.

Однажды, после долгих наблюдений за светилами, Фалес точно определил дату солнечного затмения: 28 мая 585 года до н.э. За сутки до этого он встретился с полководцами воевавших в то время лидийцев и микян и сказал им: «Боги очень разгневаны тем, что между вами ведется война. Они решили забрать завтра Солнце с неба и наслать на вас ночь!..»

Так или примерно так говорил Фалес - мы не знаем. Но в указанное им время с неба действительно исчезло Солнце!.. Обе воюющие стороны были страшно напуганы! Вот она - немилость богов, предсказанная Фалесом. В тот же день противники подписали мирное соглашение. С войной было покончено! Так Фалес-геометр стал Фалесом-миротворцем!

Глава 2

Гимн теореме Фалеса

Выдающийся древнегреческий математик Фалес был первым, кто придал геометрии логический характер науки и ввел в нее понятие доказательства. Если египетских землемеров вполне устраивал ответ на вопрос «Как?», то Фалес задался вопросом «Почему?» И успешно отвечал на него! По свидетельству Прокла (V в. н.э.), Фалес выполнял задачи на построение с помощью циркуля и линейки, доказал равенство вертикальных углов и углов при основании равнобедренного треугольника. Считается, что именно он доказал теорему о вписанном угле, который опирается на диаметр. Он доказал признак равенства треугольников по стороне и двум прилежащим углам. И многое другое. Однако имя Фалеса чаще всего вспоминают в связи с теоремой о пропорциональности отрезков, которые пересекаются параллельными прямыми: если m \ \ п, то (рис. 1).

рис.1

Предлагаем серию задач, в которых видна эффективность использования теоремы Фалеса. Комментарии к задачам даем коротко (в стиле комментариев древних математиков: «Смотри!»).

Задача 1. В треугольнике ABC высота АН] равна медиане ВМ2. Найдите угол СВМ2.

Решение. Смотри рис.2.

рис.2

Задача 2. Биссектриса АЦ треугольника ABC делит сторону ВС в отношении 2:1, считая от вершины С. В каком отношении делит эту биссектрису медиана СМ3 ?

Решение. Проведем ЦК\ \ СМЪ (рис.3). Тогда ВК:КМ3 =1:2. Так как АМ3 :М3К = 3:2, то и AT\TL =3:2.

рис.3

Задача 3. Построить равнобедренный треугольник по основанию ВС = а и медиане ВМ2 = ть, проведенной к боковой стороне.

Анализ и построение. По теореме Фалеса CD = DHX = (рис.4). Поэтому строим базисный треугольник BDM2 (ZD = 90°, BD = — a, ВМ2 = mh ). Дальнейшее очевидно.

рис.4

Задача 4. Построить равнобедренный треугольник (Ь = с) по двум неравным высотам ha и hb.

Анализ и построение. По теореме Фалеса CD = DH-, и DH} = -^ВН2 = ~А (рис.5). Строим базисный треугольник ADHX (ZD = 90°, DHX =~hb, AH, =hQ). Дальнейшее очевидно.

рис.5

Задача 5. Точка А лежит на окружности, МК - хорда этой окружности. Найти на окружности такую точку X, чтобы хорда АХ делилась хордой МК пополам.

Решение.

I способ. CD = AC (где АСШК); р \\ МК (рис.6).

II способ. КТ=АК;р\\МК (рис. 7).

рис.6

рис.7

Задача 6. Доказать, что произвольный треугольник можно разрезать на девять равных треугольников.

Решение. Смотри рис.8.

рис.8

Задача 7. В равнобедренном треугольнике ABC высота АНЬ проведенная к основанию, вдвое меньше биссектрисы CL3. Найти углы треугольника ABC.

Решение. Проведем НХК \\ CL3 (рис.9), тогда L3K=KB и АНХ=НХК= 1

Угол ZH]AK=90°-2a, а угол ZH\KA=?>(x(k?lk внешний для AH\KB). Следовательно, 90°-2а

Ответ: 36°, 36°, 108°

рис.9

Задача 8. BL2 - биссектриса в прямоугольном треугольнике ABC (ZC=90°), M - точка пересечения медиан. Известно, что L2M1 АС (рис.10). Найдите острые углы треугольника.

Решение. Поскольку L2M А. АС и ВС _L АС, то ML21| ВС. тогда, по теореме Фалеса,

Но

(М - центроид), значит, = у . По свойству биссектрисы —- =-= —, т.е. катет ВС в два раза меньше гипотенузы AB. Следовательно, ZA=30°, ZB=60°. Ответ: ZA=30°, ZB=60°.

рис.10

Задача 9. Вершина А треугольника ABC перемещается так, что длина медианы СМ3 остается неизменной. Какую линию описывает при этом вершина А?

Решение. Проведем через вершину А прямую параллельно СМ3, которая пересечет продолжение ВС в точке К (рис.11). По теореме Фалеса ВС=КС и КА=2СМ3. Поэтому очевидно, что вершина Л опишет окружность с центром в точке К радиуса R]=2CM3.

рис.11

Задача 10. Дан угол А и точка К внутри угла. Проведите через К прямую EF (Е и F лежат на сторонах угла) - так, чтобы = — (задача И. Ньютона).

Решение. Проведем КТ\\ АС (рис.12). Построим точку Е на AB- такую, чтобы -= — (построением находим отрезок ТЕ =-). Прямая ЕК пересечет АС в точке F (действительно, по теореме Фалеса

рис.12

Задача 11. Найти косинус угла А равнобедренного треугольника ABC (b=c), ортоцентр которого делит пополам высоту, проведенную к основанию.

Решение. Проведем Н]К \\ ВН2 (рис. 13). Тогда АИ2=КИ2 (т.к. AH=HHj) и СК=КИ2 (т.к. СН1=Н1В).

Из треугольника АВН2. COS А =

рис.13

Ответ: COS А =

Следующие несколько задач предлагаем Вашему вниманию для самостоятельного решения.

Задача 12. На стороне AB равностороннего треугольника ЛВС взята точка D такая, что AD:DB=1:2. На стороне ВС - точка Е такая, что ВЕ:ЕС=1:2. Докажите, что DE=R, где R - радиус окружности, описанной около треугольника ЛВС.

Задача 13. Постройте параллелограмм ABCD по середине стороны AD и серединам высот, проведенных из вершины В.

Задача 14. Дана прямая / и три точки, не лежащие на одной прямой и не принадлежащие /. Постройте через эти три точки параллельные прямые, отсекающие на / равные отрезки.

Задача 15. В треугольнике ЛВС проведены медианы ВМ2 и СМ3. Через точку К на ВС проведены КЕ || ВМ2 (Е g АС) и KF || СМ3 (F g AB). Докажите, что ВМ2 и СМ3 делят отрезок EF на 3 равные части.

Задача 16. Через центроид M треугольника ABC проведена произвольная прямая / (точки В и С находятся по одну сторону от /, точка А - по другую). Докажите, что сумма расстояний от точек В и С до / равна расстоянию от вершины А до этой прямой.

Глава 3

Пифагор. Теорема Пифагора. Задачи на построение.

Пифагор (-580-500 гг. до н.э.), родившийся на острове Самос, изучал математику в Милете под руководством Фалеса и его ученика Анаксимандра. Затем он провел около 20 лет в Египте, где овладел премудростями и таинствами жрецов. Когда войска персидского царя Камбиза захватили Египет, Пифагор попал в плен и более десяти лет провел в Вавилоне. Вернувшись на родину 50-летним человеком, он в городе Кротоне основал свою школу. Его выступления были столь ярки и убедительны, что однажды, после того как Пифагор произнес речь против роскоши, все женщины отнесли свои дорогие наряды в храм Геры. В школе Пифагора особо почитались числа. Их делили на добрые и злые. И все явления во Вселенной старались объяснить с помощью натуральных чисел.

рис.1

рис.2

В геометрии пифагорейцам принадлежат следующие открытия:

1. Сумма углов треугольника равна 180° («двум прямым углам») - (рис. 1).

2. Плоскость можно покрыть лишь тремя видами правильных многоугольников: равносторонними треугольниками, квадратами, правильными шестиугольниками (рис.2).

3. Существует 5 видов правильных многогранников: тетраэдр, куб, окта-

рис.3

эдр, икосаэдр, додекаэдр (рис.3). В школе Пифагора их называли космическими телами и считали, будто они отвечают за те или иные стихии - Воды, Воздуха, Земли...

4. Мир чисел и мир геометрических построений -совершенно разные миры. Потому хотя бы, что диагональ квадрата со стороной 1 построить можно, а точно вычислить, чему она равна, -нельзя (рис.4).

Решая задачи на построение с помощью циркуля и линейки, пифагорейцы «вышли» на три знаменитые задачи: об удвоении куба, о трисекции угла, о квадратуре круга. Эмблемой школы Пифагора была звезда (рис.5), сумма углов которой также равна 180°, а длины отрезков связаны отношением «золотого сечения».

рис.4

рис.5

И все же самое главное достижение Пифагора и его школы - это сама теорема Пифагора: площадь квадрата, построенного на гипотенузе, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах. (рис.6)

Пифагор показал, почему «египетский» треугольник со сторонами 3, 4, 5 является прямоугольным: З2 +42 =52 Появились так называемые «Пифагоровы тройки», которых оказалось бесконечно много. Наиболее часто встречающиеся среди них такие:

Были найдены общие формулы для целых a, be:

a = 2k + \

b = 2k(k + \) ,

c = 2k2+2k + \ где k - натуральное число. Таким образом, из области практики, каковой она была в Египте, Пифагор перевел геометрию в область науки.

Сегодня существует около 400 способов доказательства теоремы Пифагора. Один из них мы рассмотрим.

рис.6

Пусть высота СИ прямоугольного ААВС, проведенная к гипотенузе AB = с, делит ее на отрезки m и п (рис. 7). Пусть также ВС = а, АС = Ъ. Очевидно, что треугольники и весь ААВС подобны (по двум углам). Из подобия А® и ААВС имеем:

откуда

(1)

Из подобия А© и ААВС:

или

Сложив левые и правые части равенств (1) и (2), получим: a +b =с(т + п). Поскольку т + п = с, то а2+Ь2 =с2

(2).

рис.7

Из теоремы Пифагора вытекает ряд важнейших следствий. Отметим их.

1. Любой из катетов меньше гипотенузы.

2. Равные наклонные имеют равные проекции.

3. Из двух наклонных больше та, у которой проекция больше.

4. а = л[ст - формула (1).

5. Ь = л[сп - формула (2).

6. И = л[тп (докажите!)

7. sin2 а + cos2 а = 1 - отсюда начинаются все тригонометрические формулы.

Наша дальнейшая беседа будет большей частью связана с задачами на построение (в основном, с алгебраическим методом в задачах на построение). И здесь нам, несомненно, помогут как сама теорема Пифагора, так и следствия из нее.

Задача 1. Дан отрезок AB. Верно ли, что существует бесконечное множество точек X, для которых ХА2 + ХВ2 = const ?

Решение. Верно! Построим на AB как на диаметре окружность (рис.8). Для любой точки X окружности выполняются равенство: ХА2 +ХВ2 = AB2 = const (согласно теореме Пифагора).

рис.8

Задача 2 (Леонардо Фибоначчи). Башни ВА и DC высотой соответственно 40 футов и 30 футов расположены в 50 футах друг от друга (рис.9). Между ними находится фонтан F, к которому из А и С слетают 2 птицы. Они летят с одинаковой скоростью и опускаются к фонтану F одновременно. Найти расстояние (по горизонтали) от каждой из башен до фонтана.

рис.9

Решение.

По теореме Пифагора имеем: AF2 = 402 +х2 CF2 =302 +(50 -х)2

Поскольку AF = CF (по условию), то 402 +х2 =302 +(50-х)2, откуда BF = X = 18 (футов), DF = 50-х = 32 (фута).

Задача 3. В вершине А кирпича размерами 30 х 20 х 20 (рис. 10) находится паучок. Ему нужно как можно быстрее попасть в вершину В. Найдите длину кратчайшего пути из А в В.

Решение. Мысленно повернем верхнюю грань кирпича - чтобы она оказалась в одной плоскости с передней (рис.11). Очевидно, что кратчайший путь - отрезок AB. По теореме Пифагора

рис.10

рис.11

Задача 4. Из точки А к прямой I проведены перпендикуляр AB и наклонная АС (рис. 12) Найдите геометрическое место точек X, принадлежащих лучу ВС, для которых АХ>АС. Ответ: Все точки луча ВС левее точки С.

рис.12

Задача 5. Прямая I перпендикулярна отрезку AB и пересекает его в точке С (рис.13). Существует ли на прямой I точках- такая, что ХС = V'АС ВС ?

Решение. Опишем на AB как на диаметре окружность. Точки X, и Х2 ее пересечения с / будут искомыми.

Действительно, ХХС = л/АС-ВС (см. следствие №6 из теоремы Пифагора).

рис.13

Задача 6. Даны отрезки а, Ъ и с. Постройте отрезок X, где

Решение. Строим отрезок у = у/а2 +Ь2 - рис. 14 а. Затем строим отрезок х = ^]у2 -с2 рис. 146.

рис.14:

Задача 7. Даны отрезки a и Ъ. Постройте отрезок

Решение, х = Цa3b = уа^аЬ . Строим отрезок у = \fa~b (рис. 15). Затем аналогично строим

рис.15

Задача 8. Даны отрезок a и угол a .

Постройте отрезок х = aVsina.

Решение. Строим произвольный прямоугольный треугольник с острым углом а (рис. 16a). При этом sin а = —. Затем строим отрезок x = — (рис. 166).

рис.16

Задача 9. Даны отрезки a и Ъ. Постройте отрезок

Решение.

Строим отрезок

Затем отрезок z

После чего - отрезок

Задача 10. Даны отрезки а, Ъ, с. Постройте отрезок х, если известно, что выполняется формула îfx =yfä + Л4ь+\[с.

Решение. Возьмем произвольный отрезок t. Тогда справедливой останется формула AJxt3 = y[ät* + tfbt3 + y[ct*. Строим отрезок у = tfät3 (см. задачу 7).

Аналогично строим z = \jbt3 и k = ^jat3.

Пусть rn = y + z + k. Тогда имеем: îjxt3 = m; xt3 = mA и x = ——.

Строим сначала отрезок n =- (см. задачу 8, рис. 166), после чего - отрезок х =-.

В завершение беседы остается предложить несколько задач для самостоятельного решения.

Задача 11. Докажите, что для произвольной звездочки Zl + Z2 + Z3 + Z4 + Z5 = 180° (рис.17)

рис.17

Задача 12. Существуют ли равнобедренные прямоугольные треугольники, все стороны которых - целые числа?

Задача 13. На дереве ВА сидят две обезьянки.

Одна на верхушке А, другая - в точке С на высоте 10 локтей от земли (рис. 18). Источник / находится на расстоянии 40 локтей от дерева. Первая обезьянка прыгнула из А прямо к источнику /. Вторая спустилась с дерева и подбежала к источнику, причем обе преодолели одинаковое расстояние. Какой высоты дерево?

Задача 14. Из точки А к прямой / проведена наклонная AB. Закрасьте фигуру, образованную всеми наклонными, проведенными из Л и меньшими, чем AB.

Задача 15. Дан ААВС (С = 90°). На луче АС постройте точку Х- такую, что с = 4Ь- АХ. А на луче ВС - такую точку Y, что с = у/а-BY (рис. 19).

Задача 16. Даны отрезки а и b . Постройте отрезок

Задача 17. Даны отрезки а, Ь, с, d. Постройте отрезок X = abed. Задача 18. Даны отрезки а, Ь, с, d. Постройте отрезок

Задача 19. Зная длину отрезка а, постройте отрезок х = Задача 20. Дан отрезок а и угол а. Постройте отрезок х =

Задача 21. Постройте отрезок х = (л[а~ + где awb- данные отрезки.

Задача 22. Даны отрезки а, Ь, с, d. Постройте отрезок х =

рис.18

рис.19

Глава 4

Евклид - коллекционер ярчайших задач!

Гениальность Евклида (~ 365-300 гг. до н.э.) прежде всего в том, что он собрал все знания по геометрии своего времени в единую систему. Его труд «Начала», состоящий из 13 книг, по своей популярности и количеству изданий (свыше 500) уступает лишь Библии. Почти 80% геометрического материала, который изучает современный ученик, есть в работах Евклида! И это через 2300 лет после выхода в свет его выдающейся книги!

Кто-то из скептиков скажет: «Ну что такого особенного сделал Евклид? Собрал себе (читай: «скомпилировал») все предыдущие геометрические достижения и выдал за свои!..» Здесь Евклида защищает фраза Блеза Паскаля: «Пусть говорят, что я не открыл ничего нового, но расположение предмета у меня новое\..у>.

До нашего времени дошло немало легенд о Евклиде. Вот одна из них.

К Евклиду, который с учениками-юношами решал задачи, подошла девушка легкого поведения.

- Послушай-ка, Евклид, вот я сейчас подмигну твоим ученикам, и они пойдут со мной, а вовсе не останутся с тобой! Веришь?

- Возможно, пойдут! - ответил Евклид. - Но дело в том, что ты тянешь их вниз, ая- вверх. А вверх тянуться всегда труднее!..

Собирая задачи, Евклид уделял особое внимание тому, чтобы задачи эти были интересными и не слишком длинными по условию, посильными и красивыми при решении. Напомним несколько блестящих задач, которые содержатся в «Началах» Евклида.

Задача 1. Дана окружность, центр которой не указан. Циркулем и линейкой построить ее центр.

Решение. Проведем произвольную хорду AB и перпендикулярно к ней-хорду ВС (рис.1). Тогда АС -диаметр окружности (поскольку вписанный угол ABC - прямой). Остается разделить АС пополам.

рис. 1

Задача 2. Построить биссектрису угла, вершина которого недоступна.

Решение. Построим произвольный отрезок ВС с концами на сторонах угла (рис.2). Биссектрисы углов ЛВС и АС В определят /, -точку пересечения биссектрис треугольника ABC. Таким образом, биссектриса угла А , вершина которого недоступна, также проходит через точку /, . Теперь берем произвольный отрезок KN с концами на сторонах угла. Проведя аналогичные операции, получим 12 -точку пересечения биссектрис треугольника AKN. Очевидно, что прямая /,/2 совпадет с биссектрисой угла А .

рис.2

Задача 3. Вписать в окружность треугольник KNT, подобный данному треугольнику ABC.

Решение. Пусть данный АЛВС имеет углы a , ß , 7 (рис.3). Проведем касательную к к окружности через произвольную точку К (к А. КО , где О -центр окружности). Из точки К под углами 7 и ß к прямой к проведем соответственно лучи n w t. Они пересекут окружность в искомых точках N и Т. Действительно, поскольку uKN = 27, a uKT = 2ß , то ZKTN = у и ZKNT - ß - как вписанные. Очевидно, что ZTKN=\S0-(ß +у) = а.

рис.3

Задача 4. Провести касательную к окружности из точки К вне окружности.

Решение (Евклида). Пусть КО пересечет данную окружность в точке Т (рис.4). Построим окружность со радиуса OK, концентрическую данной. Проведем TNLTO до пересечения с со в точке N . Отрезок NO пересечет данную окружность в точке А . Нетрудно доказать, что КА - касательная. Действительно, АОАК= AOTN- по двум сторонами и углу а между ними. Итак, ZKAO= ZNTO = 90°, и КА - касательная к данной окружности.

рис.4

Замечание 1. Сейчас касательную проводят проще, чем во времена Евклида. Вот так (рис.5)\ На отрезке КО как на диаметре строят окружность, которая пересекает данную окружность в искомых точках А и В (поскольку ZKAO- ZKBO- 90° - вписанные и опираются на диаметр построенной окружности).

Замечание 2. Задачи 1-3 также можно решить и другими способами. Даже уместно устроить соревнование среди учеников: кто найдет больше вариантов решения?

рис.5

Задача 5. Для двух данных отрезков a и Ъ найти средний пропорциональный.

Решение. Для построения отрезка х = \fa~b сделаем следующее. Отложим AB=a + b и на AB как на диаметре строим полуокружность (рис.6). Из точки К , которая разделяет a и b, восстанавливаем перпендикуляр к AB. Он пересечет полуокружность в точке . Поскольку ZANB = 90° (вписанный, опирается на диаметр), то NK = y[a~b .

рис.6

Задача 6. В данный треугольник ABC вписать параллелограмм наибольшей площади.

Решение. Покажем, что решением задачи будет параллелограмм, три вершины которого находятся в серединах сторон треугольника ABC (точках Мх ; М2 ; М3 ). Итак, сравним площадь параллелограмма СМ2МЪМХ с площадью другого параллелограмма, скажем CKNT (рис. 7). Они имеют общую часть - параллелограмм CM2DT. Нетрудно показать, что SM ю,м = STDM^M] (из подобия ANM3D и ААВС имеем:

Тогда становится очевидным, что ^см2м3м, > Scknt точно на площадь параллелограмма DNFM3.

рис.7

Замечание 3. Любопытно, что площадь «наибольшего» параллелограмма составляет —SABC. Действительно,

И последнее. Напомним, что Евклид не побоялся сказать царю Птолемею I, который захотел быстро научиться геометрии: «Ваше величество! Царского пути в математике не существует! Если Вы желаете знать геометрию, будьте добры ежедневно вместе с моими учениками уделять ей достаточно времени!..»

Глава 5

Евклид и задачи с недоступными точками

Хорошо известна задача Евклида: постройте биссектрису угла, вершина которого недоступна. Едва ли найдется школьник, который не захочет решить ее. Разве не удивительно: самого угла нет, а его биссектрису провести можно! Задача Евклида вызвала к жизни мощную волну геометрических импровизаций. В результате через 2300 лет сложилась замечательная коллекция задач с недоступными точками, которую можно смело назвать гимном Евклиду! Некоторые из этих задач мы выносим на ваш суд.

Что касается задачи Евклида, то существует 7-8 способов ее решения. Два из них, отличных от способа главы 4, мы предлагаем Вашему вниманию. Итак, постройте биссектрису угла, вершина которого недоступна.

Решение.

I способ. Пусть вершина С угла АСВ недоступна (рис.1). Проведем через произвольную точку К g ВС прямую k II АС. Из точки К как из центра проведем произвольную окружность и получим точки Е и F в пересечении с к и ВС соответственно. При этом КЕ = KF и AEKF -равнобедренный. Продолжим FE до пересечения с АС в точке D. Очевидно, что и ADCF (с недоступной вершиной С) является равнобедренным. Тогда серединный перпендикуляр к DF совпадет с биссектрисой угла С

II способ. Проведем произвольно отрезок NT (N g АС;Т g ВС) - рис.2. Пусть внутренние биссектрисы углов N и /"треугольника NCT пересекутся в точке /. Внешние же биссектрисы углов N и Г пусть пересекаются в точке Q. Прямая QI совпадет с биссектрисой угла С (докажите!)

Еще несколько способов решения задачи Евклида учащиеся предложат сами и, возможно, удивят и порадуют нас. Мы же перейдем к рассмотрению задач на эту тему.

рис.1

рис.2

Задача 1. Дан угол С, вершина которого недоступна, и точка К внутри угла. Проведите прямую КС.

Решение. Проведем через К отрезки AN и ВТ перпендикулярно сторонам угла (рис.3). Соединим А и В, проведем КН _L AB. Очевидно, что прямая НК пройдет через вершину С, поскольку точка К является ортоцентром (точкой пересечения высот) в ААВС.

рис.3

Задача 2. Дан угол с недоступной вершиной С и точка К на стороне угла. Определите длину отрезка КС.

Решение. Из точки К восстановим перпендикуляр KN к этой же стороне угла (рис.4). Из точки N проведем луч под углом, равным углу CNK: Z2 = /А. Пусть проведенный луч пересекает прямую КС в точке D. Нетрудно показать, что KD = КС - из равенства AN КС и ANKD - по катету и острому углу.

рис.4

Задача 3. Дан треугольник ABC, вершина С которого недоступна. Найдите его периметр.

Решение. Находим М- середину AB, проводим МК\\ АС и MN\\ ВС (рис.5). Поскольку в таком случае MV, NK и КМ- средние линии в ААВС, то, определив периметр AMNK и увеличив его вдвое, мы найдем периметр ААВС. Замечание. Подумайте, как быть, если точки N и К (или одна из них) также окажутся недоступными.

рис.5

Задача 4. Вершина С треугольника ABC недоступна. Проведите медиану тс.

Решение. Находим М-середину AB. Проводим EF II AB (рис.6) - там, где это возможно сделать. Прямая, проведенная через Ми 7V(середину EF), содержит медиану тс (докажите!).

рис.6

Задача 5. Найдите центр О параллелограмма ABCD, все вершины которого недоступны.

Решение. Выберем произвольно К Е AB и N е CD. Найдем положение точки L - середины KN (рис. 7). Выбрав аналогично Е е AB и Fe CD, найдем М- середину EF. Пусть прямая ML пересекает AD и ВС в точках Q и Тсоответственно. Тогда середина отрезка QTсовпадает с искомой точкой О. Если точки Q и Т(или одна из них) недоступны, то аналогичным образом построенная прямая, проходящая через середины AB и CD, пересечет прямую QT в искомой точке О.

рис.7

Задача 6. Проведите касательную к окружности со в данной точке А, если центр окружности недоступен.

Решение. Проведем хорды AB, ВС и АС -там, где это возможно. Пусть ААВС = ОС (рис.8). Прямая, проведенная через А под углом а к хорде АС и будет искомой касательной - по обратной теореме об угле между касательной и хордой.

рис.8

Задача 7. Концы хорды AB окружности ш недоступны. Определите построением длину AB.

Решение. Находим центр круга О (покажите, как это делается), и из него проводим перпендикуляр OK к хорде (рис.9). Радиусом OK проводим окружность, концентрическую данной. Касательная к построенной окружности в любой ее точке определит в пересечении с со хорду, равную AB. Например, EF = AB.

рис.9

Следующие четыре задачи связаны с дополнительными ограничениями.

Задача 8. Дан треугольник ABC с недоступной вершиной С. Указана точка M - середина AB. Проведя не более двух линий, постройте треугольник KN(C), подобный данному.

Решение. Первая линия: окружность радиуса MA — MB с центром в точке М. Она пересечет АС и ВС в искомых точках К и N (рис. 10). Вторая линия: отрезок KN. Действительно, ZKNB =180° -А (четырехугольник ABNK вписан в окружность). Тогда ZKNC = А. Аналогично показывается, что ZNKC = В.

рис.10

Задача 9. Дан угол, вершина С которого недоступна. При помощи только двусторонней линейки постройте биссектрису угла С.

Решение. Приложив двустороннюю линейку по одному разу к сторонам угла, получим ромб CDEF (рис.11) - правда, без вершины С. Приложив ее еще по разу к сторонам DE и EF, получим ромб CKNT (рис.12). Очевидно, прямая NE совпадет с биссектрисой угла С.

рис.11

рис.12

Задача 10. Дан угол, вершина С которого недоступна, и точка К внутри угла. Пользуясь одной линейкой, проведите прямую КС.

Решение. Через точку К проведем произвольно DM и EF. Пусть Q = ME П FD (рис. 13). Через Q проведем произвольно прямую, пересекающую стороны угла в точках N и Т. Пусть также L = DT П FN. Покажем, что прямая KL пройдет через вершину С.

По теореме Менелая для AQDT и се-

рис.13

кущей NF:

(1)

По теореме Менелая для AQDM и секущей EF:

(2)

Приравняв левые части равенств (1) и (2), получим:

(3)

По теореме Менелая для ATQM и секущей EN:

(4)

Подставим значение - из (4) в (3). Сократив на-, получим:

Тогда по обратной теореме Менелая для ATDM получаем, что К — L — C -это одна прямая!

Задача 11. На листе прозрачной бумаги нарисован угол, вершина которого недоступна. Постройте биссектрису этого угла.

Решение. Для решения задачи достаточно совместить стороны угла! (рис. 14)

рис.14

В заключение предложим несколько задач для самостоятельного решения.

Задача 12. Дан угол с недоступной вершиной. Удвойте его.

Задача 13. В треугольнике ЛВС вершина С недоступна. Проведите в нем высоту hc.

Задача 14. Дан треугольник ЛВС, вершина С которого недоступна. Постройте точку пересечения его медиан.

Задача 15. Все вершины треугольника ЛВС недоступны. Определите построением длины его сторон.

Задача 16. Даны треугольники ЛВС и DEF, вершины AwD которых недоступны. В точке К - середине AD -спрятан клад (рис. 15). Как найти место, где спрятан клад?

рис.15

Задача 17. На обломке круга сохранился его центр О и часть хорды AB без ее концов. Найдите построением величину угла АОВ.

Задача 18. В треугольнике ABC с недоступной вершиной С сохранилась прямая, содержащая медиану тс. Проведя наименьшее число линий, найдите основания высот ha и

Задача 19. Дан треугольник ABC с недоступной вершиной С. Пользуясь лишь двусторонней линейкой, проведите медиану тс.

Задача 20. В окружности с недоступным центром проведены две параллельные неравные хорды. При помощи одной линейки разделите эти хорды пополам.

Глава 6

Евклид и построение четвертого пропорционального

В 6й книге «Начал» Евклида встречаем задачу: «К трем данным отрезкам a, b и с построить четвертый, им пропорциональный». Другими словами, даны отрезки а, Ь, с.

Необходимо построить отрезок х =—. Эта задача успешно решается применением обобщенной теоремы Фалеса (рис. 1). Действительно, — = —, откуда х =—.

Предложим еще несколько способов построения отрезках.

рис.1

Способ 2. На отрезке AB = a + b как на диаметре строим окружность (рис.2). Из точки К, разделяющей а и Ь, делаем засечку на окружности - раствором циркуля, равным с. Получаем точку N. Продлим NK до пересечения с окружностью в точке Т. Тогда KT = х, поскольку по теореме о произведении отрезков хорд ab = cx, откуда

рис.2

Замечание. Любые ли длины отрезков а, Ь, с позволяют осуществить такое построение?

Способ 3. аналогичен предыдущему, но в отличие от него, всегда имеет решение. Построим отрезок AB = a + b (AK = а\ ВК = b). Через К произвольно проведем прямую и отложим на ней отрезок КС = с (рис.3). Вокруг ААВС опишем окружность (это несложно!). Пусть прямая CK пересечет эту окружность в точке X. КХ— искомый отрезок. Действительно, согласно теореме о произведении отрезков хорд ab = сх, откуда х = —.

рис.3

Способы 3, 4, 8 предложены Л. Наврозашвили.

Способ 4* Основан на обратной теореме о равенстве углов, опирающихся на одну дугу. Строим отрезок AB = a + b (АК = а;ВК = Ь) -рис.4. Аналогично предыдущему способу проводим КС = с. Далее соединяем точки А и С. На луче ВА отточки В откладываем Z2 = Z1 и проводим луч. Он пересечет прямую CK в точке X. Очевидно, что точки А\С\В\Х принадлежат одной окружности ( ZACK = ZXBK ). Следовательно, КХ - искомый отрезок.

рис.4

Способ 5. Пусть о а . Строим прямоугольный треугольник DEF с катетом DE = а и гипотенузой DF = с (рис.5). Продлим FE до точки N -так, чтобы FN = b. Соединим N с D и проведем в ANDF высоту NH = х. Действительно, SNDF =-ab=~CX и Х=—.

Замечание. Выполните построение в случае

с < а.

рис.5

Способ 6. Воспользуемся формулой для ААВС, доказанной Брахмагуптой (VII век н.э., Индия). ab = hc • 2R ( hc - высота, проведенная к AB, R - радиус описанной окружности ААВС ) - рис.6.

Поскольку S =-^abs'mC = ~СК и c = 2Rs'mC (теорема синусов), то формула Брахмагупты доказана.

рис.6

Пусть из трех данных отрезков наибольшим является отрезок с. Тогда следующее построение: на отрезке с как на диаметре строим окружность. Из любой ее точки К делаем засечки сначала раствором циркуля, равным а, затем - b (рис.7). В полученном ААКВ проведем высоту К H = X.

Замечание. Выполните аналогичное построение в случае, когда с не является наибольшим отрезком.

рис.7

Согласно теореме Мора-Маскерони всякая задача на построение, разрешаемая циркулем и линейкой, может быть решена одним только циркулем. При этом прямая считается построенной, если построены любые две ее точки.

Построим в подтверждение теоремы отрезок х = — с помощью одного циркуля (задача Маскерони).

Способ 7. (Маскерони) Пусть Ь> о а. Построим две концентрические окружности с центром О, радиусы которых равны b и с (рис.8). На меньшей окружности раствором циркуля, равным а, отмечаем точки Е и F. Из точек Е и F любым раствором делаем две засечки на большей окружности - точки К и N. Эти две точки определят отрезок KN = х = —. И вот почему:

AOEF~ AOKN (равнобедренные, с равными углами при вершине, т.к. Z1 = Z2 - покажите!).

Следовательно, -=-, или — = —, откуда

Замечание. При каком соотношении длин отрезков а, Ь, с задача может быть разрешена?

рис.8

Способ 8.* Для построения отрезках воспользуемся окружностью Аполлония. Пусть а>с>Ь. Строим отрезок АВ = с + Ь (АС = с;СВ = Ь) -рис.9. Точка С делит его внутренним образом: -= —. Разделим этот отрезок внешним образом точкой Q: ~^ = ~^- На отрезке CQ как на диаметре строим окружность Аполлония. Из точки А раствором циркуля, равным а, делаем засечку на окружности, обозначив ее через X. Тогда ХВ — X — искомый отрезок.

Замечание 1. Выполните аналогичные построения для других соотношений между отрезками а, Ь, с. Замечание 2. Подумайте, когда данный способ не дает решения.

рис.9

Несколько задач на тему четвертого пропорционального предложим для самостоятельного решения.

Задача 1. Дан отрезок а и угол а. Постройте отрезок х = а sin а.

Указание. Постройте произвольный прямоугольный треугольник с острым углом а (рис. 10), а затем отрезок х =

рис.10

Задача 2. Даны отрезки а, Ь, с, d, к, т, п. Постройте отрезок

Задача 3. Даны отрезки а и Ъ. Постройте отрезок

Указание. Постройте отрезок у = ——, затем z = — и т.д.

Задача 4. Даны отрезки а, Ъ, с. Постройте отрезок х, если известно, что справедлива формула

Указание. Постройте сначала отрезок у, где

Задача 5. Даны отрезки а и Ъ. Постройте отрезок х =

Указание. —-- =-—. Постройте отрезок у = —, затем отрезок

Задача 6. Даны отрезки а и Ъ. Постройте отрезок

Задача 7. Даны отрезки ha\hh\hc равные высотам некоторого треугольника

ABC. Постройте отрезок г, равный радиусу вписанной в этот треугольник окружности.

Указание. Воспользуйтесь формулой — + — + — = — и решением Задачи 4.

Глава 7

Леммы Архимеда из Сиракуз

«Внимательно читая сочинения Архимеда, перестаешь удивляться всем новейшим открытиям геометрии»

В. Г. Лейбниц

Архимед Сиракузский (-287-212 гг. до н.э.) столь много сделал в области геометрии, механики, астрономии, что даже не совсем верится: неужели все это мог сделать один человек? Однако это так!.. Историк Плутарх (I в. н.э.) пишет: «Во всей геометрии нельзя найти более трудных и глубокомысленных задач, которые были бы решены так просто и ясно, как те, которыми занимался Архимед». Уникальный геометрический материал содержится в одном из сочинений Архимеда - «Книге лемм». Лемма - это вспомогательная теорема. Архимед стал автором замечательной коллекции таких теорем. О некоторых леммах великого Архимеда мы и поведем наш дальнейший разговор.

1. Лемма о параллельных диаметрах

Пусть окружности со и <ц касаются в точке К При этом их диаметры AB и CD параллельны (рис.1). Докажите, что точки K-D-B лежат на одной прямой.

Доказательство. Пусть имеет место внутреннее касание. Поскольку точка касания К и центры Oj и О лежат на одной прямой, то достаточно показать, что ZOxKD- ZOKB. А это верно. Действительно, ZKO,D = ZKOB (т.к. CD H АВ \ а AKO\D и АКОВ равнобедренные.

Аналогично рассматривается случай внешнего касания окружностей.

2. Лемма о касательных и секущей

Из точки К вне круга проведены к нему касательные КА и KB и секущая К -Т- N (рис.2). Провели хорду ВЕ\\ KN. Докажите, что АЕ делит хорду TN пополам.

рис.1

Доказательство. Пусть D = АЕ n NT. Пусть также Z1 = Z2 = a (KN\\ BE). Тогда ZAOB = 2а - центральный (a Z2 - а - вписанный). Соединим О и К. Очевидно, что Z3 = Z4 = a. Поскольку Z1 = Z3, то точки О - D - А - К лежат на одной окружности. А так как ZOAK = 90°, то OK- диаметр этой окружности. Тогда и ZODK = 90°. Диаметр, перпендикулярный хорде, делит ее пополам. У нас OD _L NT. Следовательно, ND = DT.

рис. 2

3. Лемма о перпендикулярных хордах

AB и CD - перпендикулярные хорды окружности ш, которые пересекаются в точке К (рис.3). АК=а; ВК=Ь; СК-с; DK-d. Докажите, что a2+b2+c2+d2=4R2, где R - радиус окружности ш.

Доказательство. Проведем СЕ\\АВ. Поскольку ZECD = 90°, то ED - диаметр окружности со.

СВ2 =Ь2 +с2 (из прямоугольного АСКВ). При этом СВ = АЕ (дуги, заключенные между параллельными хордами, равны).

AD2 =а2 +d2 (из прямоугольного AAKD). Применим теорему Пифагора для AEAD ( ZEAD = 90° -вписанный, опирается на диаметр):

что равносильно решению задачи.

рис.3

4. Лемма о перпендикуляре на диаметр КА и KB- касательные к окружности ш с диаметром CD (рис.4). AD и ВС пересекаются в точке N. Докажите, что KN _L CD.

Доказательство. Решим сначала задачу, которая поможет доказать лемму. В четырехугольнике LMTQ IM =LQ, ZLMT = а, ZLQT = ß и ZMTQ =a + ß (рис.5). Докажите, что точки M,T,Q лежат на окружности с центром в точке L.

рис.5

рис.4

Решение.

Продлим ML на LE = ML = LQ. Пусть также ZLEQ = ZLQE = ç (LE = Z0. Тогда в четырехугольнике EMTQ сумма углов при вершинах Е и Г равна сумме углов при вершинах M и Q и равна а + ß + ç. Тогда а + ß + ç = 180° и около EMTQ можно описать окружность. Поскольку LM - LE - LQ, то L - центр этой окружности. Теперь вернемся к рис.4. Пусть ZACD = ZKAD = а (вписанный угол и угол между касательной и хордой). Пусть также ZBDC = ZKBC = ß (по аналогичной причине). Поскольку ZBCD = 90°-ß и ZADC = 90°-а, то из ACND нетрудно сосчитать величину угла CND: ZCND = а + ß = ZA NB

Тогда для четырехугольника KANB имеем только что решенную вспомогательную задачу. Согласно этой задаче точка К - центр окружности, описанной около AANB. Отсюда KN = КА и ZKNA = ZKAN = а. Смежный с ним ZANT = 180°-а. Следовательно, около 4-угольника ACTN можно описать окружность (180°-а + а = 180°). Тогда и сумма углов CAN и CTN равна 180°. Но ZCAN =90°. Значит, и ZCTN = 90°.

5. Лемма о перпендикулярах из концов диаметра

Диаметр CD пересекает хорду AB. Из С и D к AB проведены перпендикуляры CN и ОТ. Докажите, что AT-BN (рис.6).

Доказательство. Проведем из центра О отрезок OQ 1 AB. Тогда AQ = QB (диаметр, перпендикулярный хорде, делит ее пополам). По теореме Фалеса нетрудно показать, что QT = QN (покажите!). Отняв от равных отрезков равные, получим: AT = BN.

рис.6

6. Лемма о пятиугольнике

Дан полукруг с диаметром AB = 2R и центром О. АС- сторона правильного пятиугольника, вписанного в круг. D - середина дуги АС (рис.7). Из точки пересечения АС и BD к диаметру проведен перпендикуляр QN. Прямые CD и ВА пересекаются в точке Т. Докажите, что TN=R.

Доказательство. Поскольку АС- сторона правильного пятиугольника, вписанного в окружность, то AD - сторона правильного вписанного десятиугольника. Тогда ZAOD = 36° (360° : 10). Значит, в AAOD ZADO = ZDAO = 72°. Очевидно, что ZABD = ZDBC = 18°. AQCB = AQNB - по гипотенузе и

рис.7

острому углу, следовательно, BN = ВС. Тогда ADN В = ADCB - по двум сторонам и углу между ними, откуда DN = DC. При этом DC = DA. Значит, DN = DA. Теперь нетрудно показать, что ADAT = ADNO - по стороне и двум прилежащим углам ( DN = DA; ZDAT = ZDNO - как смежные равным углам; ZADT = ZNDO = 36° ). Отсюда ТА = NO и 77V = АО = R.

Еще несколько лемм Архимеда предлагаем доказать самостоятельно.

7. Лемма о центре окружности (современная формулировка)

Окружности ш и ш1 пересекаются в точках А и В, причем центр 01 окружности ш1 лежит на ш (рис.8). Хорда АС окружности ш пересекает ш1 в точке К. Докажите, что КС=ВС.

8. Лемма о площади арбелона

Арбелон (сапожный нож - греч.) - это фигура, ограниченная тремя полуокружностями, построенными на отрезках AD, DC и АС как на диаметрах (заштрихованная фигура на рис.9). Докажите, что площадь арбелона равна площади круга, построенного на отрезке BD как на диаметре (где BD 1 АС ).

9. Лемма о квадрате Если окружность оо описана около квадрата, а окружность ш1 в него вписана, то Sa:S =2:1.

10. Лемма о сумме дуг перпендикулярных хорд

Хорды AB и CD окружности со перпендикулярны (рис.10). Докажите, что

и АС + uBD = и ВС + uAD.

11. Лемма о салионе

На отрезках AB, ВС, CD, AD как на диаметрах построены полуокружности (на ВС в противоположную сторону) - рис.11. При этом AB = CD. Заштрихованная фигура называется салион (солонка -греч.)

Докажите, что площадь салиона равна площади круга, построенного на KN как на диаметре (KN совпадает с серединным перпендикуляром kAD).

рис.8

рис.9

рис. 10

рис.11

Глава 8

Задачи Архимеда с прямоугольным треугольником

Книга Архимеда «О прямоугольных треугольниках» лишь упоминается арабскими математиками. До наших дней она не дошла... Можно только предполагать, сколько красивых, занимательных задач было в этой книге!.. Тем не менее, в различных трудах Архимеда мы встречаем задачи, связанные с прямоугольным треугольником. Попробуем собрать их воедино. Заметим, что все задачи Архимед решал с помощью «чистой геометрии» (алгебры в те времена еще не было). Мы же предложим современные формулировки и решения этих задач.

Задача 1. Докажите, что в прямоугольном треугольнике ABC (С=90°) выполняется равенство: 2(c+a)(c+b)=(2p)2, где 2р - периметр треугольника.

Доказательство. Покажем, что 2(с + а)(с + Ь) = (а + b + cf - рис. 1. Действительно,

рис.1

Задача 2. В прямоугольном треугольнике ABC (С=90°) проведена высота CH=h (рис.2). Докажите справедливость равенства: 2c(2p+h)=(2pf.

Доказательство.

рис.2

Задача 3. В прямоугольном треугольнике ABC (С=90°) имеет место равенство: (2pf+(a-bf=(c+a)2+(c+b)2. Докажите!

Доказательство.

I способ

II способ.

Согласно Задаче 1 Тогда имеем: (с + а - по катету и острому углу (1К3 = К2С = г; ZK3AI = ZK2TC = —). Следовательно, CT = АК3. Покажите самостоятельно, что АК3 = р-а.

Еще раз напомним, что не следует считать задачи 1-3 слишком легкими - ведь Архимеду приходилось находить геометрические решения этих задач.

Задача 4. Вписанная в прямоугольный треугольник ABC окружность касается катетов ВС, АС и гипотенузы AB соответственно в точках К2; К3. Прямая К3К2 пересекает прямую ВС в точке Т (рис.3). Докажите, что СТ=АК3=р-а. Доказательство. Соединим вершину Л с центром / вписанной в ААВС окружности Нетрудно показать, что ААК31 = АТСК2

рис.3

Задача 5. Докажите, что в условиях Задачи 4 выполняется соотношение:

Доказательство. Восстановим из В перпендикуляр к ВС до пересечения с прямой К2К3 в точке D (рис.4).

рис 4

Из подобия треугольников TDB и ТК2С следует:

Остается показать, что ВК3 = BD (покажите, что ZBK3D = ZBDK3 = 90°--).

Задача 6. Докажите, что площадь прямоугольного треугольника ABC (С=90°) вычисляется по формуле: S=mn, где т=АК3; п=ВК3 (рис.5).

Доказательство. Продлим К2К3 до пересечения с прямой ВС в точке Т. Согласно задаче 5 CT• ВК3 = ВТ• СК2. Однако по задаче 4 CT = АК3 = р-а = т. Таким образом, т-п = ВТ • СК2 Но СК2 = г, а ВТ = ВС + СТ = а+ р-а = р. Тогда тп - рг - S.

рис.5

Задача 7. На гипотенузе AB прямоугольного треугольника ABC взяты точки К и N -такие, что АК=Ь и BN=a (рис.6). Докажите, что KN-2p=4S.

Доказательство. Поскольку S = рг, то остается доказать, что KN = 2г. Покажем это:

Поскольку в прямоугольном треугольнике г =-, то KN = 2г.

рис.6

Задача 8. Дан прямоугольный треугольник ABC (С=90°). Окружность ш касается ВС в точке С, AB-в точке N и пересекает АС в точке Т. Касательная кш в точке Т пересекает AB в точке D (рис. 7). Докажите, что

Доказательство. Очевидно, что ТС - диаметр окружности со и TD\\ ВС.

Тогда из подобия треугольников ЛВС и ADT име-

рис. 7

ем: -=-. Но ВС = BN и DT = DN (касательные, проведенные из одной точки). Значит, -=-.

Задача 9. На отрезке AB как на гипотенузе построены два прямоугольных треугольника: АСВ и ADB. АС и BD пересекаются в точке К (рис. 8). Докажите, что AKKC=BKKD. Доказательство. Поскольку точки A;D;C;B лежат на одной окружности с диаметром AB, то по теореме о произведении отрезков хорд выполняется равенство: АК • КС = ВК • KD.

рис.8

Задача 10 (лемма Архимеда). На катете ВС как на диаметре построен полукруг, который пересекает гипотенузу AB прямоугольного треугольника ABC в точке Е (рис.9). EN - касательная к полукругу (Ne АС). ET - перпендикуляр к ВС. Докажите, что BN делит ET пополам. Доказательство. Соединим Е и С. ZCEB = 90° (вписанный, опирается на диаметр). Тогда и ZCEA = 90°. При этом NE = NC (касательные из одной точки). Тогда EN -медиана, проведенная к гипотенузе в прямоугольном треугольнике АЕС (покажите!) и AN = NC. Поскольку ET II АС и BN делит АС пополам, то BN делит и отрезок ET пополам, т.е. ЕК = KT.

рис.9

Глава 9

Лемма Архимеда о трисекции угла. «Метод вставок»

Среди задач на построение, решаемых циркулем и линейкой, особое место занимают три классические задачи:

1. Об удвоении куба (построить куб, имеющий объем вдвое больший объема данного куба).

2. О трисекции угла (разделить произвольный угол на три равные части).

3. О квадратуре круга (построить квадрат, равновеликий данному кругу). Интерес к ним подогревался еще и тем, что ни в античное время, ни в средние века, ни позже никому не удавалось решить эти задачи. Математики понимали, что разделить угол на три равные части с помощью циркуля и линейки, скорее всего, вообще невозможно. Однако доказать это также никто не мог вплоть до первой половины XIX века. Едва ли можно назвать хоть одного крупного математика, которого эти задачи оставили бы равнодушным. Задача о трисекции угла, вероятно, возникла при построении правильного девятиугольника. Действительно, для этого надо было построить угол 360° :9 = 120° :3, то есть осуществить трисекцию угла 120\

Что касается Архимеда, то для решения задачи о трисекции угла он использовал так называемый «метод вставок». Вот, например, если бы на линейке сделать две засечки - чтобы расстояние между ними было равно радиусу окружности!.. Другими словами, если бы удалось «вставить» отрезок, равный RI Конечно, великий Архимед знал, что «вставка» отрезка, как и любые другие «вставки», - запрещенный прием в задачах на построение. Он и не претендовал на то, что одолел задачу о трисекции угла. Он претендовал только на изобретательность, выдумку, блеск творческой фантазии! На остроумное исследование задачи! На то, что сочинил легкую, но изящную лемму.

Лемма Архимеда о трисекции угла. Пусть АО В - центральный угол окружности радиуса R (AO=OB=R). Докажите, что если бы удалось «вставить» отрезок CD=R, где B-C-D - одна прямая (рис.1), то трисекция угла АО В была бы выполнена.

Доказательство. Пусть ZCDO = ZCOD = а ( CD = СО = R). Тогда ZOCB = 2а (внешний для ACOD). Но и ZOBC = 2а (OB = OC = R). Поскольку угол АОВ является внешним для ABOD, то ZAOB = 2а + а = За. Вот и получается: ZBDA = а составляет третью часть ZAOB = За. Трисекция угла осуществлена.

рис.1

Таким образом, Архимед, воспользовавшись «методом вставок», словно пригласил математиков грядущих поколений придумывать новые задачи, связанные с трисекцией угла. Некоторые из таких задач предложим Вашему вниманию.

Задача Никомеда (II век до н.э.) Дан угол АОВ. AN 1 OB (рис.2). Пусть удалось «вставить» отрезок KD-2AO, где K<eAN; AD и OB параллельны и точки D-K-0 лежат на одной прямой. Докажите, что в таком случае выполнена трисекция угла АОВ.

Доказательство. Проведем медиану AT к гипотенузе KD прямоугольного AAKD. Тогда AT = KT = TD = АО. Пусть ZADO = а = ZDON (внутренние накрест лежащие при AD\\ OB). ZTAD = a (AT = TD),aZATO = 2a (внешний для AATD). ZAOT = ZATO = 2a (AT = АО). Следовательно, луч OD отсек 1/3 угла ЛОЯ

рис.2

Задача Паппа Александрийского (III век н.э.) Дан угол АОВ. Пусть по другую сторону от А окажется возможным построить АОВС - такой, что серединный перпендикуляр к ВС пройдет через основание L биссектрисы CL треугольника ОВС (рис.3). Докажите, что тогда трисекция угла АОВ осуществлена.

Доказательство. Пусть ZOCL = ZLCB = а. Значит, и ZLBC = а (LT - медиана и высота в ABLC). Теперь очевидно, что ZAOB = 3а, т.к. он является внешним для АОСВ.

рис.3

Задача Якоба Бернулли (1654-1705). Пусть АОВ - центральный угол окружности радиуса R. EF - диаметр, параллельный AB. AT - тоже диаметр (рис.4). Хорда DT вставлена так, что DN = R (N = DT П EF). Докажите, что трисекция угла АОВ в этом случае осуществлена.

Доказательство. Пусть ZI = Z2 = ср (внутренние накрест лежащие при AB || EF ). Тогда Z3 = Z2 = ç (OA = OB = R ). Но и Z4 = Z3 = ç (соответственные при AB\\ EF ). Пусть также ZDOB = x. Тогда ZDON = x + <p = ZDNO ( DO = DN = R). Однако, ZDNO - внешний угол для AONT, т.е. x + ç = Z4 + Z5. Поскольку Z4 = ç, то Z5 = x. Итак, Z5 = ZDTA = x.

рис 4

Угол AOD- центральный. Он, как и вписанный ZDTA = х, опирается на uAD . Следовательно, ZAOD = 2х. Тогда ZAOB = 2х + х = Зх, то есть ZDTA = х составляет 1/3 часть угла АОВ.

Задача Джовани и Чевы (1648-1734).

На рис.5 представлен его инструмент для деления угла на три равные части. Точки А и В свободно перемещаются по сторонам угла ADB - с тем, чтобы угол АОВ принимал всевозможные значения. Докажите, что ZADB=x=1/3ZAOB. Доказательство. Поскольку ОЕ \\ DB, то ZAEO = х = ZEAO (ОЕ = ОА ). Аналогично OK II AD ZOKB = х = ZOBK (OK = OB). Тогда ZAOB = 360°- (l80°- 2x + x +180°-2x) = Зх. Следовательно,

рис.5

Задача об инцентре. Пусть в ААВС удалось осуществить трисекцию углов В и С. При этом ближние к В и С лучи пересеклись в точке N, а дальние - в точке К (рис.6). Сравните величины углов BKN и CKN.

Решение. Они равны, поскольку N- инцентр (точка пересечения биссектрис) в АВКС. Значит, KN- также является биссектрисой, и ZBKN = ZCKN.

рис.6

Задача об угле 54°. Пользуясь циркулем и линейкой, выполните трисекцию угла 54°.

Решение. Пусть дан ZAOB = 54°. В точке О восстановим перпендикуляр ОТ к OB (рис.7). Тогда ZAOT = 90°-54° = 36°. Биссектриса / угла АОТ дает угол, равный 18°. Так как 18° = 54° : 3, то остается внутри угла АОВ дважды отложить угол 18° (лучи n и к). Трисекция угла АОВ осуществлена!

рис.7

Несколько задач, связанных с «методом вставок» и просто с трисекцией угла, предлагаются для самостоятельного решения.

Задача 1. Дан центральный угол ЛОВ. Пусть удалось «вставить» хорду BD - такую, что BD = BE (рис.8). При этом точки D-E-O лежат на одной прямой. Докажите, что в таком случае задача о трисекции угла решена.

Задача 2. Дан центральный угол ЛОВ. Предположим, что удалось «вставить» хорду BD-такую, что, проведя DH ZAB, получили: АН = HB + BD (рис.9). В таком случае трисекция угла ЛОВ выполнена. Докажите!

Задача 3. ЛОВ - центральный угол в окружности со.

Пусть удалось «вставить» хорду BD - так, что касательная LT к окружности со, проведенная в точке Д делится ею пополам, то есть LD = DT (рис. 10), где L е I -перпендикуляру к AB в точке А; Т принадлежит прямой AB. Докажите, что тогда трисекция угла АОВ осуществлена.

Задача 4.* Теорема Ф. Морлея (1860-1937)

Пусть в ААВС выполнена трисекция каждого из углов. Ближайшие к ВС лучи пересеклись в точке TV, к АС - в точке £, и к AB - в точке F (рис.11). Докажите, что ANEF-равносторонний.

Задача 5. Одним циркулем выполните трисекцию угла 54° (найдите две точки, чтобы лучи, проходящие через вершину угла и эти две точки, делили угол на три равные части).

Задача 6. (почти шутка). Трисекцию какого угла можно осуществить, пользуясь одной линейкой? Ответ: 270°.

рис.8

рис.9

рис.10

рис.11

Глава 10

Мысленное кругосветное путешествие Эратосфена

Эратосфен (~ 285-205 гг. до н.э.) родился в греческом городе Кирене на побережье Африки. Образование получил в Афинах. Будучи одаренным и любознательным человеком, он уже в молодом возрасте заявил о себе как о серьезном математике, астрономе, поэте, философе. У него находим сочинения по географии, грамматике, арифметике («решето» Эратосфена). Среди его работ по астрономии - трактаты «Об измерении Солнца», «О расположении звезд» и другие. Примерно с 245 года до н.э. Эратосфен стал директором Александрийской библиотеки в Египте, где хранилось около 700 тысяч папирусных свитков. И вместе с помощниками рассортировал все эти свитки по темам! Эратосфен был близким другом Архимеда. Это ему адресовано письмо Архимеда, найденное в 1906 году, в котором Архимед излагает свой Метод - знаменитый ныне метод масс. Знакомя с ним друга, Архимед пишет, что хочет оказать этим письмом «большую услугу математике и желает, чтобы с его Методом познакомились многие математики настоящего и будущего». А начинается письмо словами: «Архимед Эратосфену желает благоденствовать». Дружить и вести переписку с великим Архимедом - это говорит о многом! Но возникает вопрос: а каких успехов добился в геометрии сам Эратосфен? Ответим на него, рассказав о двух крупных победах Эратосфена.

Всех древнегреческих математиков волновала так называемая «делосская задача» - задача об удвоении куба. Вот она: «С помощью циркуля и линейки построить куб, объем которого в два раза больше объема данного куба». Еще Гиппократ Хиосский (V век до н.э.) перевел эту задачу из пространства в плоскость, сформулировав ее так: по отрезкам а и 2а построить такие отрезки x и у , что а : х = х : у = у : 2а. Действительно, в этом случае — =-----= —, откуда х-аы2. Но и после такого, казалось бы, существенного упрощения задача не поддавалась решению. Тогда математики стали придумывать различные «вставки» и приборы, позволяющие (пусть не совсем корректно) хоть как-то справиться с задачей об удвоении куба.

рис.1

Наиболее простой и удобный прибор изобрел именно Эратосфен. Он назвал его «месолаб» («уловитель средних величин»). Прибор Эратосфена состоял из трех равных прямоугольников: ABCD; EFGH; KLNT, приставленных друг к другу (рис.1). При этом средний прямоугольник был закреплен, а два крайних могли двигаться по параллельным желобкам тир. Пусть AB = 2а. На NT отметим середину - точку Q (NQ = QT = а) и будем вдоль желобков надвигать крайние прямоугольники на неподвижный средний (ABCD - сверху, KLNT - снизу). В тот момент, когда точки В - M - Р-Q окажутся на одной прямой ( M = CD n FH и P = GH nLT) - рис.2, задача будет решена.

Действительно, нетрудно показать, что три трапеции: ABMD,DMPH и HPQT - подобны.

(Например, подобие трапеций ABMD и DMPH следует из того, что AABD ~ ADMH и ADBM ~ АН MP ). Тогда 2а : х = х : у = у: а (где X = MD;y = PH ). Или

Итак, — =—, откуда у = ал/2. Таким образом, получен отрезок РН Следовательно, куб с ребром, равным РН, будет иметь объем V = 2а3.

Эратосфен очень гордился своим изобретением и даже написал стихотворение по этому поводу. А в царском храме на мраморной колонне он изобразил «месолаб» и поместил геометрическое доказательство того, что решение верно.

рис.2

С нашей точки зрения куда более значительной победой Эратосфена является блестяще совершенное им мысленное кругосветное путешествие. Расскажем о нем.

Случилось Эратосфену несколько раз побывать в городе Сиене, который находится примерно на одной параллели с Александрией. Ученый заметил, что в Сиене 21 июня (самый длинный день в году) Солнце в полдень располагается строго вертикально. В Александрии же в этот день лучи Солнца падали в полдень под углом 7,2° (что несложно подсчитать по длине тени). А если так, то...

Впрочем, сначала Эратосфен определил расстояние между Александрией и Сиеной. Это нетрудно было выяснить у купцов, чьи караваны с верблюдами постоянно курсировали между этими городами. Купцы преодолевали этот путь за 50 дней. В день караван проходил обычно 100 стадий (1 стадия ~ 157 м). Вот и получается: 100-50=5000 стадий ~ 785 км.

Таким образом, 7,2° составляют примерно 785 км. А поскольку вся окружность - это 360° (рис.3), то имеем пропорцию:

7,2°-785 км 360° -X км,

откуда

х = 39250 км.

Заметим, что современные вычисления дают длину окружности Земли в районе экватора равную 39990 км. А при решении задач ее округляют до 40000 км.

Как тут не восхититься Эратосфеном: поразительная точность мысленного кругосветного путешествия, совершенного 2200 лет назад!..

рис.3

Глава 11

«Досье» на окружность Аполлония

Замечательный древнегреческий математик Аполлоний Пергский (-260-170 гг. до н.э.) является автором солидного труда «Конические сечения», из которого развилась аналитическая геометрия.

Данные о других его работах, к сожалению, весьма отрывочны, поскольку большинство из них утеряно. Несомненно, однако, что круг геометрических интересов Аполлония, получившего образование в Александрии, был необычайно широк. Он занимался построениями с помощью циркуля и линейки, гармоническим отношением четырех точек прямой, правильными многогранниками и многими другими вопросами геометрии. По свидетельству Паппа Александрийского, Аполлоний уделял большое внимание геометрии окружностей. Не случайно в школьной геометрии популярны его задачи:

1) постройте окружность, которая проходит через две данные точки и касается данной прямой;

2) постройте окружность, которая касается трех данных окружностей.

Мы же остановимся на так называемой окружности Аполлония, представляющей собою геометрическое место точек, отношение расстояний которых до двух данных точек является некоторым постоянным числом. Покажем, как с помощью окружности Аполлония изящно решается ряд непростых геометрических задач, включая олимпиадные.

Задача 1 (преамбула к окружности Аполлония). Пусть AQ = V - внешняя биссектриса угла А в треугольнике ABC (рис. 1). Докажите, что = -.

Доказательство. Поскольку /' - внешняя биссектриса, то

ZBAQ = ZQAT = 90°-—.

Проведем BN\\AC. Тогда и ZBNA = 90°--(внутренний накрест лежащий с ZNAT ). Значит, BN = AB = с. Из подобия треугольников CAQ и BNQ имеем: -= ——, или — = —— , что и требовалось доказать.

Рис. 1

Задача 2 (окружность Аполлония). Найти геометрическое место точек, расстояния от которых до двух данных точек С и В относятся как т:п.

Решение. Пусть Х-одна из точек искомого ГМТ (рис.2). Соединим её с В и С. Согласно условию

Проведем внутреннюю (XL) и внешнюю (XQ) биссектрисы угла X в треугольнике АБС. По свойству внутренней биссектрисы

По свойству внешней биссектрисы

(см. задачу 1).

Следовательно,

Поскольку точки В и С заданы, то легко находятся точки L и Q, которые делят отрезок ВС в отношении т\п внутренним и внешним образом. При этом ZLXQ = 90° (угол между биссектрисами смежных углов). Тогда, найдя точки L и Q, на отрезке LQ как на диаметре строим окружность. Это и есть окружность Аполлония. Докажем, что всякая точка X окружности Аполлония удовлетворяет условию

Проведем через В прямую KT \\ ХС (рис.3).

Из подобия АСАХ и ABKL:

Из подобия ACXQ и ABTQ:

Поскольку

то ВК = ВТ. Но АКХТ- прямоугольный. Тогда точка В - середина гипотенузы KT. Следовательно, ВК = ВТ = ХВ.

Рис.2

Рис.3

Заменив в равенстве-= — отрезок ВК наХВ, получим -= —.

Доказательство того факта, что кроме окружности Аполлония нет точек, удовлетворяющих условию задачи, основано на том, что существуют только две точки, делящие данный отрезок ВС в отношении — : одна - внутренним образом, и одна - внешним.

Задача 3. Постройте треугольник ABC по a; ha;

Решение. Строим отрезок ВС = a (рис.4). Поскольку отношение — задано, находим точки L и Q. На LQ как на диаметре строим окружность Аполлония. Вершиной А треугольника ABC будет являться любая из точек пересечения окружности Аполлония с прямой, удаленной от ВС на расстояние ha.

Рис. 4

Задача 4. Восстановите ЛАВС по точкам В, С, основанию L биссектрисы угла А и основанию Н1 высоты, проведенной к ВС.

Решение. Зная точки В, С и L, находим точку Q и строим окружность Аполлония. Из точки Hj восстанавливаем перпендикуляр к ВС, который пересечет окружность Аполлония в точке А.

Задача 5. Докажите, что прямая ОИ (где 01 - центр окружности Аполлония) касается окружности, описанной около ЛАВС.

Решение. Если мы докажем, что ZBAQ =С (рис.5), то это и будет означать, что ОхА касается окружности, описанной около ААВС. Действительно, угол АСВ является вписанным в эту окружность. И если /LBAOx = С, то он является углом между касательной и хордой в этой окружности.

Очевидно, что ОхА - OxL - RA (радиус окружности Аполлония), AALOx - равнобедренный. Тогда ZOxAL = ZALB = 180°-В-— (из AALB).

Найдем ZBAOv

что равносильно требуемому.

Рис. 5

Задача 6. На прямой даны четыре точки А, В, С, D в указанном порядке. Постройте такую точку X, из которой отрезки AB, ВС и CD видны под равными углами.

Решение. Пусть Х- искомая точка (рис.6). Тогда должно выполнятся соотношение -=-=— . То есть точка X принадлежит окружности Аполлония, построенной для точек А, С и отношения

Аналогично

и точка Х принадлежит окружности Аполлония, построенной для точек В, D и отношения

Следовательно, Х- точка пересечения двух ГМТ (двух окружностей Аполлония).

Заметим, что эти две окружности могут не пересекаться. Тогда такой точки X не существует.

Рис.6

Задача 7. На плоскости дан отрезок ВС. Найдите множество точек А плоскости - таких, что медиана, проведенная из вершины С, равна АВ(тс=с).

Решение. По условию СМ = АВ = тс (рис.7). Продлим ВС до точки D так, что CD = ВС. Тогда по теореме Фалеса AD = 2тс. При этом AB = тс. Тогда для отрезка BD необходимо найти геометрическое место точек А таких, что

Остается построить окружность Аполлония для отрезка BD и отношения 2:1.

Рис.7

Задача 8. Треугольник ABC вписан в окружность. Постройте на окружности такую точку D, чтобы выполнялось равенство: АС CD = AB-BD.

Решение. Искомая точка D обладает тем свойством, что

где отношение ^ известно. Тогда находим точки L и Q (рис. 8) для отрезка ВС - такие, что-= —— = — . На LQ как на диаметре строим окружность Аполлония, которая пересечет данную окружность в точках Ои

Рис.8

Задача 9. Точки В и С лежат на диаметре данной окружности. Проведите через них две равные хорды, имеющие общее начало.

Решение. Пусть В и С - данные точки на диаметре, Х- общее начало двух равных хорд ХК и XT (рис.9). Чтобы ХК иЛТ были равны, они должны быть равноудалены от центра окружности ( ОЕ = OF). Из равенства треугольников ХЕО и XFO следует, что Z1 = Z2, тогда ХО - биссектриса в треугольнике АБС, и -=-. Поскольку точки С, О, В заданы, то задано и отношение-=— . Становится очевидным, что Х-это точка пересечения соответствующей окружности Аполлония с данной окружностью.

Рис 9

Задача 10. На плоскости даны два отрезка AB и CD. Найдите точку Х- такую, что ZAXB = ZCXD и при этом ЛАХВ подобен ADXC (рис. 10).

Решение. Пусть Х- искомая точка. Тогда из подобия треугольников имеем: -=-= = —. Построим две окружности Аполло-

Рис. 10

ния: первую - для точек В, С и отношения -= — ; вторую - для точек A, D и отношения -= —. Искомой точкой X будет точка пересечения этих двух окружностей.

Задача 11. На стороне прямого угла N даны две точки А и В (рис.11). Найдите на другой стороне угла такую точку С, чтобы ZACB = 2ZBCN.

Решение. Согласно условию, точка С должна быть такой, чтобы ZBCN = х и ZACB = 2х. Отразим точку В симметрично относительно вершины N прямого угла - получим точку 2?15 очевидно, что ZBxCB-2x. Тогда отрезок ВС должен быть биссектрисой угла АСВ\.

При этом, поскольку есть точки А\ В; В], то есть и отношение

Для отрезка АВХ и отношения — строим окружность Аполлония, которая пересечет вторую сторону угла в искомой точке С.

Рис. 11

Задача 12. В треугольнике ABC дан центр вписанного круга I. При помощи одной линейки постройте отрезок, равный диаметру одной из окружностей Аполлония.

Решение. Сначала докажем, что прямая L2L3 пересечет продолжение ВС именно в точке Q. Пока же обозначим точку пересечения прямых L2L3 и ВС через Т (рис.12). По теореме Менелая для ААВС и секущей L2L3 имеем:

Но по свойству внутренней биссектрисы

Тогда

Рис. 12

Но и —— = — . А это означает, что 7 = О.

Теперь решение самой задачи 12 не составит труда.

Продлеваем AI до пересечения с ВС - получаем точку Ц. Аналогично получаем точки Ь2 и L3 (рис. 13). Прямая L2L3 пересечет продолжение ВС в точке Q. LXQ - искомый диаметр.

Рис. 13.

Задача 13. Постройте четырехугольник ABCD с равными и перпендикулярными диагоналями по заданным трем его сторонам:

AB = a;BC = b;CD = c.

Решение. Опишем около искомого четырехугольника A BCD квадрат EFGH (рис. 14). Анализ показывает, что если К-точка пересечения диагоналей искомого четырехугольника, то очевидно, что ЕК = AB = a\ KF = ВС = b и KG = CD = c. Тогда берем произвольный квадрат E]F]G]H].

Для отрезка EXFX и отношения — строим окружность Аполлония. Для отрезка T^G, и отношения — строим ещё одну окружность Аполлония. Две эти окружности пересекутся в точках Кх и К2. Проведя через К\ две прямые параллельно сторонам квадрата, получим четырехугольник AXBXCXDV Воспользовавшись подобием, нетрудно теперь построить искомый четырехугольник ABCD. Аналогичное построение выполняется для точки К2. Задача имеет 2 решения.

Рис 14

Задача 14. Докажите, что общая хорда описанной около ЛАВС окружности и окружности Аполлония является симедианой этого треугольника.

Доказательство. Напомним, что прямая, симметричная медиане относительно биссектрисы внутреннего угла при вершине треугольника, называется симедианой.

Рис. 15

На рисунке 15 ANX =t - отрезок одной из симедиан в ААВС. Основное свойство симедианы:

(докажите его самостоятельно).

Вернемся к задаче 14. Пусть описанная около ААВС окружность и окружность Аполлония с диаметром LXQ пересекаются по хорде AT (рис.16).

Треугольники АВК и СТК подобны (по двум углам). Тогда-=- (1).

Треугольники АСК и ВТК подобны и -=- (2).

Разделим ( 1 ) на (2) и получим: -=---=---. Но-= — (поскольку окружность Аполлония есть геометрическое место точек, расстояние от которых до данных точек С и В относятся как — . При этом точка Г принадлежит окружности Аполлония). Тогда = ^-г. А это означает, что К = N, и хорда Л Г совпадает с симедианой треугольника ABC.

Рис. 16

Задача 15. Найти геометрическое место точек плоскости, обладающее тем свойством, что прямые, соединяющие их с двумя точками вне плоскости, одинаково наклонены к плоскости.

Решение. Пусть А и В- точки, лежащие вне данной плоскости а (рис.17). Пусть также точки Д и Вх - проекции этих точек на плоскость а, и АА] ВВХ =Ь.

Рис 17

Если точка X принадлежит искомому ГМТ, то Z1 = Z2. Значит, ААХА^ подобен ABXR. Тогда —— =-- = — . И наоборот, если отношение расстояний от некоторой точки X плоскости а до точек Д и Вх равно — , то эта точка принадлежит искомому множеству (в этом случае ААХА^ подобен АВХВГ и Z\ = Z2). Значит, нам остается найти множество точек Хна плоскости а, для которых ^^ = —. Следовательно, искомым множеством является окружность Аполлония, построенная для точек Д и Вх (проекций точек А и В) при отношении — = —.

Заметим, что окружность Аполлония может быть эффектно использована и при решении алгебраических текстовых задач.

Задача 16. В точках А и В посреди океана находятся два корабля. Они начинают двигаться прямолинейно и равномерно в неизвестных направлениях со скоростями 20 км/ч и 15 км/ч, пока не встретятся в точке С (рис.18). Каково наибольшее возможное время их движения до встречи, если AB = 50 км?

Решение. Поскольку отношение скоростей кораблей равно 4:3 , то строим точки К и С2, которые делят AB в отношении 4:3 внутренним и внешним образом. Очевидно, что точка Ci окружности Аполлония будет искомой, когда время движения кораблей максимально.

откуда ВС2 = 150 (км). Тогда для корабля, находящегося в точке В, имеем 15 • / v = 150; / v = 10 (часов).

В заключение предложим несколько задач на окружность Аполлония для самостоятельного решения.

Задача 1. Постройте ААВС, если известна длина биссектрисы АЦ, а также длины отрезков СХ, и ВЦ, на которые она делит противоположную сторону.

Задача 2. Дан ААВС. Касательная к описанной около него окружности в точке А пересекает продолжение ВС в точке К. АК = к. Известна также длина внешней биссектрисы AQ = п. Найдите длину внутренней биссектрисы АЦ. Ответ: ^Ак2 - п2

Задача 3. Найдите радиус окружности Аполлония треугольника ABC, если СЦ =т; BL\ = п.

Ответ: КА =-^

Задача 4. Три точки А, В и С расположены на одной прямой (В - между А и С).

Возьмем произвольный круг с центром В и обозначим через M точку пересечения касательных, проведенных из А и С к этому кругу. Найти геометрическое место точек М.

Ответ: Круг с центром на прямой АС.

Задача 5. Докажите, что три окружности Аполлония треугольника ABC пересекаются в двух точках F\ и F2 и что прямая F\F2 проходит через центр окружности, описанной около ААВС.

Глава 12

Вариации на тему одной задачи Аполлония

Задача 1. (Задача Аполлония) Построить окружность, которая проходит через две данные точки и касается данной прямой.

Решение. Пусть А и В - данные точки, / -данная прямая (рис.1). Продлим ВА до пересечения с прямой / в точке С. Пусть также ВС = a , АС = b . Анализ показывает, что если Х- искомая точка, то СХ2 =ab (квадрат касательной равен произведению всей секущей на ее внешнюю часть), или СХ = л[а~Ь .

Следовательно, сделав из точки С раствором циркуля засечку радиусом yfäb , получим искомую точку X. После этого остается построить окружность, которая проходит через точки А; В; X.

Замечание. В случае, когда AB || /, решение задачи очевидно.

рис.1

Задача 2. Восстановить треугольник ABC по прямой, содержащей ВС, и точкам К2 и К3 касания вписанной окружности со сторонами АС и AB соответственно.

Решение. Согласно задаче Аполлония найдем точку К\ касания вписанной окружности со стороной ВС (рис.2). Точки К};К2;К3 определяют окружность с центром в точке /. Через точки К2 и К3 проведем касательные к этой окружности; точка пересечения этих касательных — А, а пряпрямую ВС они пересекают в точках В и С. Треугольник ABC - искомый.

рис.2

Задача 3. Дана прямая I и две точки А и В по одну сторону от нее. Найдите на прямой I такую точку X, из которой отрезок AB виден под наибольшим углом.

Решение. Искомой точкой будет точкаX, которую найдем, воспользовавшись задачей Аполлония (рис.3). Докажем, что угол АХВ больше любого другого угла АХХВ. Поскольку угол АХВ вписанный, то он равен половине дуги AB; в то же время вершина угла АХХВ находится вне окружности, поэтому этот угол равен полуразности дуг AB и EF. Таким образом, угол АХВ больше угла АХХВ.

рис.3

Задача 4. Четырехугольник ABCD вписан в окружность. Найдите на стороне AD (рис.4) такую точку X, чтобы угол АВХ равнялся углу DCX.

Решение. Продолжим ВС до пересечения с AD в точке Е и найдем точку X при помощи задачи Аполлония: ЕХ = VСЕ• BE . Докажем, что это и есть та самая точкаX. Пусть ZABX = a , ZDCX = ß . Опишем окружность вокруг АВСХ, которая будет касаться стороны AD. Пусть также ZBCX = ср . Тогда ZBXA = ср (угол между касательной и хордой). Из ААВХ имеем: ZBAX = 180° - (а + ср). Но поскольку четырехугольник ABCD вписан в окружность, что ZBAD + ZBCD = 180° , или 180°-(а + <р)+/? + <р = 180° , откуда а = ß . Следовательно, точкаX, найденная по задаче Аполлония, - искомая!

рис.4

Задача 5. Точки А и В находятся вне окружности с центром О (рис.5). Постройте вторую окружность, которая касается первой и проходит через данные точки.

Решение. Построим окружность с центром Оь в которой AB будет хордой и которая пересекает первую, скажем, в точках D и Е. Пусть С - точка пересечения прямых AB и DE. Из точки С проведем касательную СХ к первой окружности (с центром О). Докажем, что Х- искомая точка. По свойству секущих для окружности Ох : СВ • CA = СЕ • CD . Однако для окружности О по свойству

секущей и касательной имеем: CECD = CX2 ;

отсюда получаем: CA • СВ = СХ2. Отсюда следует, что Х-точка касания. Тогда окружность с центром 02, которая проходит через точки А; X; В, - искомая.

Заметим, что случай, когда точки находятся внутри первой окружности и имеет место внутреннее касание, рассматривается аналогично.

рис.5

Задача 6. Точки А и В находятся по одну сторону от прямой I. Найти на этой прямой такую точку X, чтобы сумма отрезков АХ + ХВ = а, где а - отрезок заданной длины.

Решение. Из точки В как из центра проведем окружность радиуса a (рис.6). Пускай точка А' симметрична точке А относительно прямой /. Анализ показывает, что окружность с центром в точке Xрадиуса XÄ-XA будет касаться первой окружности в некоторой точке D, причем точки D\ X; В лежат на одной прямой. Но тогда, чтобы решить задачу, необходимо построить окружность, которая проходит через две точки А и Ä и касается данной окружности с центром в точке В. А эта задача уже была нами рассмотрена! (Задача 5).

рис.6

Глава 13

Геронов треугольник и... почти вся геометрия

Герон Александрийский, живший в I веке н.э., стал, быть может, самым знаменитым специалистом по практической геометрии. Его труды - это своеобразная энциклопедия по механике и прикладной геометрии. В них даются правила для точного, а чаще - для приближенного вычисления площадей и объемов фигур. Герон большей частью не доказывает правила, а поясняет, как ими пользоваться в практической жизни. Не случайно греческие, а позже римские архитекторы и землемеры успешно пользовались рецептами Герона для нахождения площадей квадрата, прямоугольника, треугольника, для вычисления объемов куба, параллелепипеда, пирамиды, конуса. В сочинении «Метрика» Герон приводит доказательство знаменитой формулы для площади треугольника со сторонами а, Ъ, с: S = yjр(р - а)(р - Ь)(р - с), где р = а + ^ + с _ полупериметр треугольника.

Сегодня эта формула известна как формула Герона. Хотя справедливо было бы сказать, что автором формулы является Архимед, получивший ее за 300 лет до Герона.

Герон же, составляя своеобразные справочники по практической геометрии, не считал нужным указывать в них, кто автор той или иной формулы. В сочинении «Геометрика» Герон приводит такой пример для измерения площади треугольника: «Ты можешь измерить треугольник и так. Пусть, например, одна сторона имеет в длину 13 мерных шнуров, другая 14 и третья 15. Чтобы найти площадь, поступай вот как. Сложи 13, 14 и 15 - получится 42. Половина этого будет 21. Вычти из этого 3 стороны одну за другой: останется 8, затем 7 и, наконец, 6. А теперь перемножь их: 21 раз по 8 - получится 168, возьми это 7 раз - получится 1176, а это еще 6 раз - получится 7056. Отсюда квадратный корень будет 84. Вот сколько мерных шнуров будет в площади треугольника.»

О треугольнике со сторонами 13, 14, 15, получившем название Геронова треугольника, мы и поведем дальнейший разговор. Решая задачи на Геронов треугольник, постараемся «прокрутить» в памяти важнейшие факты и формулы геометрии. Итак, речь пойдет о треугольнике ABC, в котором а=14; Ь=15; с=13 (рис. 1).

рис.1

Задача 1. Определите вид Геронова треугольника. Найдите косинусы его углов.

Решение. Поскольку Ь=15 - наибольшая сторона, и при этом Ъ2 < а2 +с2 (225<169+196), то ААВС - остроугольный. Воспользовавшись теоремой косинусов, определим косинусы его углов: с2 = a2 +b2 -2аЪ cos С, или

Аналогично получим

Задача 2. Найдите ha; 1а; тав Героновом треугольнике.

Решение.

Для нахождения 1а воспользуемся свойством биссектрисы:

Тогда по формуле биссектрисы I2 = АС • AB-CL- BL имеем:

Медиану та найдем, применив формулу медианы: тп =-. Подставив значения, получим:

рис.2

Задача 3. Окружность касается сторон b и с Геронова треугольника, а центр ее лежит на стороне а. Найдите радиус окружности.

Решение. Пусть Ох - центр этой окружности, а ее радиус - Rx (рис.3). Тогда площадь ААВС равна сумме площадей треугольников АВОх и ACQ,

Но

S abc = 84 (по формуле Герона).

Следовательно,

рис.3

Задача 4. Найдите расстояние между центрами описанной и вписанной окружностей в Героновом треугольнике.

Решение. Пусть О - центр описанной окружности треугольника ABC, I - центр вписанной в него окружности (рис.4). Пусть также R и г - соответственно радиусы этих окружностей. Для нахождения расстояния Ol следует применить формулу Эйлера: Ol2 = R2 -2Rr (докажите!)

При этом

Тогда

рис.4

Задача 5. Вершины Геронова треугольника служат центрами трех окружностей, пересекающихся в одной точке по хордам равной длины. Найдите длины этих хорд.

Решение. Известно, что общая хорда двух пересекающихся окружностей перпендикулярна линии их центров и делится ею пополам (докажите!) Тогда в нашем случае равные хорды КЕ; KF и KG перпендикулярны соответственно отрезкам AB; ВС; АС и делятся ими пополам (рис.5). Тогда KL = KN = KT и при этом KL ± AB, KN 1ВС и KT LAC. Следовательно, К = I, то есть KL = KN = KT = r = 4. Значит,

рис.5

Задача 6. Найдите расстояние от вершины А:

a) до ортоцентра Н;

b) до инцентра I.

Решение. Для нахождения А H (рис. 6) воспользуемся формулой: АН = 2R-\ cosА\. Поскольку cos^=— (Задача 1) и

(Задача 4),

Длину отрезка Л/ найдем, рассмотрев AAIK: IK = г = 4; АК = р-я = 21-14 = 7. Тогда

рис.6

Задача 7. Докажите, что отрезок Ml, соединяющий центроид M с инцентром I, параллелен стороне ВС.

Решение. Пусть АЦ и АМХ - соответственно биссектриса и медиана в ААВС, I - инцентр и М - центроид (рис. 7). Известно, что

(докажите!).

В Героновом треугольнике

Но и -= 2 (центроид делит каждую из медиан в отношении 2:1, считая от вершины). Тогда, в соответствии с теоремой Фалеса, MI \\ ВС.

рис.7

Задача 8. В Героновом треугольнике проведены высоты АН1 и ВН2 (рис.8). Найдите площадь треугольника СН1Н2.

Решение. Нетрудно показать, что АНХН2С-ААВС с коэффициентом подобия к = cos С (покажите!).

Тогда

Следовательно,

рис.8

Задача 9. Параллельно биссектрисе AL1 проведена прямая KT, делящая треугольник ABC на две равновеликие части. Найдите длину отрезка СТ.

Решение. Очевидно, что s = — S = 42 (рис.9). По свойству биссектрисы

рис.9

AKCT-AACLj, а площади подобных фигур относятся как квадраты соответствующих линейных размеров. То есть,

откуда CT2

Задача 10. В Геронов треугольник ABC вписан прямоугольник KNTQ, диагональ KT которого параллельна AB, a KN\\BC (рис.10). Найдите отношение сторон прямоугольника.

Решение. Пусть KN = х, KQ = у. Из подобия треугольников CAT и CAB получим:

откуда

Следовательно,

рис.10

Задача 11. В угол ABC Геронова треугольника вписана окружность единичного радиуса (г^-1). АК - касательная к этой окружности (К -точка касания). Найти АК (рис. 11).

Решение. Пусть АК = AT = х. Тогда ВТ = 13 - X = BN. Пусть также Q - центр окружности, вписанной в угол ABC. То есть

QN = QT = !] = 1. ДляДОЛ^:

Поскольку

то найдем

Согласно формулам понижения степени

Тогда

откуда

Таким образом,

Значит,

Перед тем, как перейти к задачам для самостоятельного решения, сделаем несколько замечаний в отношении Геронова треугольника.

Замечание 1. Геронов треугольник интересен тем, что его стороны - последовательные целые чиса, и, кроме того, его площадь - число целое. Помимо Геронова треугольника, таким свойством обладает так называемый «египетский треугольник» (стороны: 3, 4, 5; площадь - 6). А уже следующий треугольник такого вида (51;52;53) в школьной геометрии практически не встречается.

Замечание 2. Геронов треугольник относится к семейству так называемых разностных треугольников (их стороны составляют арифметическую прогрессию). Поэтому, все свойства разностных треугольников применимы и для Геронова треугольника.

Замечание 3. В зависимости от поставленной цели, от уровня учащихся можно составить множество задач на Геронов треугольник.

Задачи для самостоятельного решения.

Задача 12. Найдите радиус окружности, проходящей через середины сторон Геронова треугольника.

Ответ:

Задача 13. Найдите площади треугольников, на которые Геронов треугольник разбивается медианами. Ответ: 14.

Задача 14. Продолжение биссектрисы 1а пересекает описанную около Геронова треугольника окружность в точке W. Найдите IW. (I - инцентр).

Ответ:

Задача 15. Покажите, что Геронову треугольнику присущи следующие свойства (свойства разностного треугольника): a) AI = IW; б) r = ^S в)А1Ю1; г) точки А\М2\1\МЪ лежат на одной окружности ( М2 - середина АС, М3 - середина AB).

Задача 16. Найдите расстояние между центром О описанной окружности и ортоцентром Н.

Указание. Воспользуйтесь формулой ОН2 - 9R2 - (а2 + Ь2 +с2).

Ответ:

Задача 17. Отрезок EF _L ВС делит Геронов треугольник на две равновеликие части. Найти длину EF(E е АС; F е ВС).

Ответ:

Задача 18. Из инцентра I Геронова треугольника проведена окружность радиуса 5. Найти длины хорд, отсекаемых окружностью на сторонах треугольника.

Ответ: 6.

Задача 19. Периметр трапеции BDEC(D е AB; Е е АС) равен 31,5. Найти ее площадь.

Ответ:

Глава 14

Выручает (порой неожиданно) теорема Птолемея

Клавдий Птолемей (II век н.э.) - автор солидного труда «Великое математическое построение астрономии в XIII книгах» («Альмагест»). Что касается теоремы о произведении диагоналей вписанного в круг четырехугольника, то она понадобилась Птолемею для астрономических вычислений. При изучении звездного неба возникла потребность в определении хорд различных дуг величиной до 1° и даже меньше. Именно в этот момент и выручила Птолемея доказанная им теорема!..

Птолемей ошибся в своих астрономических постулатах: Земля на самом деле не является центром Вселенной, а система мироздания не является геоцентрической. Но зато его астрономические вычисления, в которых применялась теорема Птолемея, были наиболее точными. Теорема Птолемея до сих пор служит нам при решении задач на вписанный четырехугольник.

Задачи данной главы показывают, сколь действенна теорема Птолемея. Как она неожиданно выручает при решении сложных геометрических задач.

Теорема Птолемея.

Произведение диагоналей вписанного в окружность четырехугольника равно сумме произведений его противоположных сторон, или

ef = ac + bd\ (рис. 1)

Идея доказательства.

Отложим ВК(К g АС) - так, чтобы ZABK = ZCBD. После чего рассмотрим два подобия:

1) ААВК ~ ADBC и

2) АСВК ~ ADBA.

Итак, теорема Птолемея решает задачи.

рис.1

Задача 1. Найти диагональ равнобокой трапеции с основаниями а и b и боковой стороной с.

Решение. Боковые стороны и диагонали равнобокой трапеции равны. Кроме того, около равнобокой трапеции можно описать окружность (покажите!). Тогда, согласно рис.2, имеем: d-d = a-b + c-c, откуда

рис.2

Задача 2. Вокруг квадрата ABCD описана окружность. На дуге ВС произвольно взята точка К. Известно, что KB+KD=n. Найдите КА.

Решение. Пусть AB = a - сторона квадрата (рис.3). Четырехугольник ABKD вписан в окружность, и для него справедлива теорема Птолемея: KA-ayfï = KB-a+ KD-А, или KA-ayfl =a(KB + KD). Поскольку KB + KD = n (по условию), то

рис.3

Задача 3. По двум данным хордам a и b круга диаметром 2R найдите длину хорды, которая стягивает их суммарную дугу.

Решение. Пусть AB = a, ВС = А и АС = х. Проведем диаметр BD (рис.4). Тогда ZBAD = ZBCD = 90° (вписанные, опираются на диаметр). Значит,

Согласно теореме Птолемея для вписанного четырехугольника ABCD :

рис.4

Задача 4. Дан треугольник ABC со сторонами а, Ь, с. Найдите расстояние от центра О описанной около него окружности до высоты АН1 (рис.5).

Решение. Пусть b > с. Пусть также OK = х - искомое расстояние. Выполним зеркальное отображение ААВС относительно / - серединного перпендикуляра к ВС . Получим равнобокую трапецию АВСА\, в которой А\ =20К = 2х. По теореме Птолемея для этой трапеции имеем:

рис.5

Задача 5. Дан равносторонний треугольник ABC с центром О. Точка К внутри него такова, что Z ВКС=120°. Известно, что CK- ВК = п. Найдите КО.

Решение. Поскольку ZBKC = ZBOC = 120°, то точки В - К -О-С лежат на одной окружности (рис.6).

Пусть АВ = ВС = АС = а. Тогда ВО = СО = R = (покажите!). По теореме Птолемея для вписанного четырехугольника ВКОС : CK • R = OK • а + ВК • R, откуда OK - а = R-(CK - ВК);

рис.6

Задача 6. Радиусы двух концентрических окружностей ш и ш1 соответственно равны 15 и 8. Точка К находится на расстоянии 17 от их центра О (рис. 7). Найдите расстояние TN между ближайшими точками касания, лежащими на ш и ш1 (KT и KN - касательные к окружностям ш

Решение. Очевидно, что около четырехугольника KTNO можно описать окружность (ZOTK = ZONK = 90°). При этом

Тогда, воспользовавшись теоремой Птолемея для четырехугольника KTNO, получим: 15 15 = 77V 17 + 8-8, откуда TN

рис.7

Задача 7.1 - центр вписанной окружности треугольника ABC со сторонами a, Ь, с. Прямая AI пересекает описанную около треугольника окружность в точке W. Чему равно отношение-?

Решение. Запишем теорему Птолемея для четырехугольника ABWC (рис.8): AWa = BWb + CWc. Согласно «теореме трилистника» BW = CW = IW (докажите!). Тогда

рис.8

Задача 8. Докажите, что в остроугольном треугольнике ABC справедливо равенство: а-АН + Ь-ВН + с-СН = 4S (Н -ортоцентр, S - площадь треугольника).

Доказательство. Точки, симметричные ортоцентру ААВС относительно его сторон, лежат на описанной около ААВС окружности (докажите!). То есть ННХ - HXN. При этом BN = ВИ\ CN = С H (рис.9). По теореме Птолемея для четырехугольника ABNC : a-AN = b-BN + c-CN. Поскольку ННХ = HXN и АНХ =ha, то можно записать, что AN = 2ha - АН. С учетом того, что BN = ВН и CN = СИ, имеем:

рис.9

Задача 9. В треугольнике ABC площади S точки М2; М3 - соответственно середины сторон ВС, АС и AB. Известно, что в этом треугольнике — = k. Найдите значение суммы a(OM2+OM3)+b(OM1+OM3)+c(OM1+OM2).

Решение. Очевидно, что М2МЪ=^\ АМ2=^; АМ3 = и АО = R (рис.10). Около четырехугольника АМ2ОМ3 можно описать окружность (два противоположных угла равны по 90°). Воспользуемся теоремой Птолемея:

рис.10

Умножив на 2, получим:

(1)

Аналогично для четырехугольника ВМ3ОМх применим теорему Птолемея и, умножив на 2, получим: bR = a-OM3+c-OM] (2). А для четырехугольника CMjOM2:\cR = a-OM2+b ОМ] (3).

Остается сложить левые и правые части равенств (1); (2); (3):

Итак,

Задача 10. Докажите формулу для произведения высот треугольника ABC:

ha-hb-hc=2S-a-(cos A+cos B-cos С).

Решение. Проведем в ААВС высоты ВН2 = hh и СН3 =hc (рис.11). Около четырехугольника ВН3Н2С можно описать окружность с диаметром ВС. Тогда по теореме Птолемея: hh-hc = a • Н2Н3 + ВН3 • СН2. Но Н2Н3 = a cos А (докажите!); ВН3 = a cos В (из АСН3В); CH2=acosC (из АВН2С ). Имеем: hh -hc = a-a-cosA + a-cosB-a-cosC или hbhc = a2 (cos А + cos В • cos С).

рис.11

Домножим обе части последнего равенства на ha, где

Получаем:

При решении задач повышенной трудности (часто -олимпиадных задач) широко используется следствие из теоремы Птолемея - неравенство Птолемея: для произвольного выпуклого четырехугольника ABCD выполняется неравенство: ef <ac + bd (рис.12).

Знак равенства имеет место в случае вписанного четырехугольника. Докажите неравенство Птолемея самостоятельно.

рис.12

Задача 11. Сумма расстояний от точки X, взятой вне квадрата, до двух его соседних вершин, равна п. Каково наибольшее значение суммы расстояний от точки X до двух других вершин квадрата?

Решение. Пусть ХВ + ХС = п. Требуется найти (XA+XD)mgx. -рис.13. Обозначив сторону квадрата через а, запишем неравенство Птолемея для четырехугольника АВХС :

(1).

По неравенству Птолемея для четырехугольника BXCD имеем:

или

(2)

Сложив левые и правые части неравенств (1) и (2), получим:

Очевидно, что равенство достигается, когда точка X лежит на описанной около квадрата ABCD окружности. Таким образом,

рис.13

Задача 12. В выпуклом шестиугольнике ABCDEF AB = ВС; CD = DE; EF = FA (рис. 14). Докажите, что —+-+— > —.

Доказательство. Пусть AC = a, CE = b, EA = с. Запишем неравенство Птолемея для четырехугольника АВСЕ : BE • а < AB • b + ВС • с. Но по условию AB = ВС. Тогда BE • а < ВС(Ь + с\ откуда

Применив неравенство Птолемея для четырехугольника АС DE, получим:

(2).

Неравенство ->- (3) следует из неравенства Птолемея для четырехугольника ACEF. Сложив левые и правые части неравенств (1); (2); (3), получим

В свою очередь,

известное алгебраическое неравенство для положительных чисел а\Ъ\с. Следовательно, тем более

рис.14

Несколько задач на теорему Птолемея (большинство из них хорошо известны) предлагаются для самостоятельного решения.

Задача 13. Дан равносторонний треугольник ABC. На дуге AB описанной около него окружности произвольно выбрана точка К. Докажите, что КА + КВ = КС.

Задача 14. На гипотенузе AB прямоугольного треугольника ABC во внешнюю сторону построен квадрат с центром О. Найдите СО, если СА + СВ = п.

Задача 15. Дан ромб ABCD со стороной а. Серединные перпендикуляры к AB и AD пересекаются в точке Т, причем АТ = п. Найдите диагональ ромба BD.

Задача 16. Внутри квадрата ABCD брошена точка К такая, что ZAKD = 90°. При этом А К - DK = п. Найдите КО, где О - центр квадрата.

Задача 17. Биссектриса угла А треугольника ABC пересекает описанную вокруг него окружность в точке W. Докажите, что Ь + с < 2A W.

Задача 18. В условии Задачи 6 найдите расстояние между дальними точками касания, лежащими на окружностях со и coi.

Задача 19. ABCD - вписанный четырехугольник с перпендикулярными диагоналями. AB-а, ВС - b, CD-с, DA-d. Докажите формулу для вычисления его площади: S = —(ac + bd).

Задача 20. Докажите формулу Карно для остроугольного треугольника ABC :

соответственно середины сторон ВС, АС и AB; О - центр описанной окружности треугольника ABC) Какой вид будет иметь формула Карно в случае тупоугольного треугольника?

Задача 21. Пусть KN - сторона правильного шестиугольника, вписанного в окружность радиуса R. NT - сторона правильного десятиугольника, вписанного в эту окружность (рис. 15). Покажите, что ТК - сторона правильного пятнадцатиугольника, вписанного в эту же окружность. Докажите, что ТК =-/?(VlO + 2V5 +V3-VÏ5).

Задача 22. Стороны вписанного в окружность четырехугольника ABCD равны а, Ь, с, d. Найдите его диагонали.

Задача 23. В выпуклом шестиугольнике ABCDEF AB = ВС = CD и DE = EF = FA (рис. 16). Кроме того, ZBCD = ZEFA = 60°. К и N -две точки внутри ABCDEF. Докажите, что К А + KB + KN + ND + NE > С F . (Международные олимпиады).

рис.15

рис.16

Глава 15

Теорема Птолемея и тригонометрия

Легче, кажется, двигать самые планеты, чем постичь их движение.

Клавдий Птолемей

С именем Птолемея (II в. н.э.) связаны наибольшие достижения греческой тригонометрии. И хотя Птолемей не знал синусов, косинусов, тангенсов, он, опираясь на труды Гиппарха (-190-125 гг. до н.э.) составил знаменитые таблицы хорд дуг окружностей. Заметим, что работать с хордами или с синусами - это фактически одно и то же, поскольку синус равен половине такой хорды (рис. 1)

рис.1

Таблица хорд Птолемея, сохранившаяся до наших дней, соответствует таблице синусов от 0° до 90° (через 0,25°) - с пятью верными знаками после запятой!!!

Понятно, что эта таблица была, в первую очередь, вызвана к жизни потребностями астрономии. Она появилась в главной работе Птолемея «Альмагест». Наряду с тригонометрией на плоскости, в ней содержались элементы сферической тригонометрии и прилагался каталог из 1028 звёзд. «Альмагест» для того времени давал наиболее полную картину мироздания. Не забудем, что по геоцентрической системе Птолемея мир прожил почти 13 столетий - вплоть до эпохи Коперника.

Нас же интересует теорема Птолемея, которая в древности звучала так: прямоугольник, построенный на диагоналях вписанного в круг четырехугольника, равен сумме прямоугольников, построенных на противоположных сторонах.

Предложим оригинальное, редко встречающееся в литературе доказательство теоремы Птолемея.

Итак, докажем, что произведение диагоналей вписанного в круг 4-угольника равно сумме произведений его противоположных сторон, или, согласно рис.2,

рис.2

Заметим, что (р = ах + а2 (внешний угол для ААВК) и <р = 180°-(Д + ß2) - из AAKD. Тогда sine/) = sin(a, + а2) = sin(ß, + ß2) - это нам понадобится.

Очевидно, что

(1)

Проведем BN\\ АС (рис.3). Очевидно, что ANBC - равнобокая трапеция, и

AN = BC = b;NC = AB = a; ZNCA = ZBAC=al.

S anco - Sabcd (так как в трапеции ANBC треугольники ANT и СТВ равновелики). 4-угольник ANCD состоит из двух треугольников: NCD и NAD , а его площадь есть сумма площадей этих треугольников.

Поскольку ZACD = ZABD = a2 (вписанные, опираются на одну дугу), то

Поскольку ZNAC= ß2 (стягивает такую же дугу, что и (учитывая сказанное в начале).

(2)

Сравнив (1) и (2), получим: ef = ac + bd.

Теорема Птолемея доказана! Однако остается вопрос: как Птолемей, составляя таблицы хорд, пользовался своей знаменитой теоремой?

рис.3

А вот как!

Пусть в круге радиуса R известны хорды AB = a, AC = b. Требуется найти хорду ВС = х , соответствующую разности дуг АС и AB (рис.4).

Решение. Проведем диаметр AD и найдем длины отрезков BD и CD :

из прямоугольного AABD.

из прямоугольного AACD.

Применим теорему Птолемея для 4-угольника ABCD :

Зная теперь хорду дуги ВС , Птолемей находил хорду половины дуги ВС . При этом он пользовался формулой, аналогичной современной формуле:

рис.4

Приведем современное геометрическое доказательство этой формулы.

Пусть в равнобедренном ААВС (b = c, ZBAC = a) проведены высоты^//, и ВН2 (рис.5), нетрудно показать, что треугольники Н]Н2С и ABC подобны.

Тогда

(1)

Подставим полученное значение в равенство (1):

откуда получим:

Заметим, что эта формула позволяла Птолемею, вычислив, например, хорду дуги 12° , находить хорды дуг 6° ; 3° ; 1,5° ; 0,75° .

рис.5

Следует отметить, что способ вычисления хорд соответствующих дуг с помощью теоремы Птолемея также совпадает с известными нам формулами тригонометрии: sin(a ± ß) = sin а • cos ß ± cosa • sin ß

И вот почему.

Пусть ААВС вписан в окружность радиуса R (рис.6). Проведем диаметр CD . При этом пусть ZACD = ZABD = а и ZDCB = ZDAB = ß . По теореме Птолемея для 4-угольника ADBC имеем: c-CD = a-AD + b-BD.

Но с = 2Rs'm(a + ß) - теорема синусов для ААВС. a = 2Rcosß - из прямоугольного ACBD ( ZCBD = 90° как вписанный, опирающийся на диаметр).

AD = 2Rs\na и BD = 2Rs\nß - теорема синусов для AABD Ъ = 2RCOSGC - из прямоугольного ACAD

Итак, 2R• sin(a + ß)-2R = 2Дcosß-2R-sma + 2Rcosa• 2R• sinß .

После сокращения на 4R2 получим: sin(a + ß) = sina-cosß + cosa-sinß .

рис.6

В заключение приведем весьма изящное доказательство теоремы косинусов с помощью теоремы Птолемея.

Опишем окружность около ААВС и проведем AD\\BC Owe.7). Очевидно, что ABCD -равнобокая трапеция, и BD = АС = b ; CD = AB = c; ZDCB = ZABC = В . Проведем в трапеции высоты AN и DK . Тогда CK = BN = ccosB . После чего найдем, что KN = a-2ccos В = AD. Применив теорему Птолемея к трапеции ABCD , получим: с2 + а• (а-2с• cosB) = b2,

Мы убедились: истоки теоремы Птолемея - в тригонометрии!

рис.7

Авторская школьная геометрия

Часть 2

Поздняя Древняя Греция. Древняя Индия. Страны арабского халифата

Глава 1

Менелай «обыкновенный»

Древнегреческий математик и астроном Менелай (-70-130 гг. н.э.) стоит у истоков так называемой сферической геометрии. В арабском переводе Сабита ибн Корры до нас дошло его сочинение «Сферика» ("Sphaerica"). В этом труде Менелай дает определение сферическому треугольнику, отделяет тригонометрический материал от геометрического. А главное, в «Сферике» впервые встречается знаменитая ныне теорема о трансверсалях, названная арабскими математиками «правилом шести величин». Сегодня весь мир знает ее как теорему Менелая. Эта теорема помогает решить много важных, полезных, часто довольно трудных задач. Она, несомненно, является одной из «жемчужин» древнегреческой математики!

Прежде, чем приступить к обстоятельному разговору о применении теоремы Менелая, сформулируем и докажем ее.

Теорема Менелая. Если секущая к пересекает прямые, содержащие стороны ВС, АС и AB треугольника ABC соответственно в точках К, N, Т (рис. 1), то справедливо следующее соотношение:-----= 1.

Доказательство.

I способ. Из вершин А , В , С проведем соответственно перпендикуляры /т, ; h2 ; h, к прямой к (рис.2).

поскольку AADT ~ ABET .

Таким образом,

Замечание. Для запоминания удобно брать всякий раз: в числителе - отрезок от вершины треугольника до точки на секущей. А в знаменателе - от точки на секущей до следующей вершины.

рис.1

рис.2

II способ. Проведем BL \ \ АС (рис.3).

рис.3

III способ. Проведем BQ\ \ к (рис.4) и обозначим:

CQ = X ; QN = у ; NA = z. По теореме Фалеса

Нетрудно заметить, что опять-таки

рис.4

Заметим , что верна и обратная теорема Менелая: если для треугольника ABC и трех точек К, N, Т на его сторонах (или их продолжениях) выполняется равенство-----= 1, то точки К ; N ; Т лежат на одной прямой (рис. I).

Доказательство приводится методом от противного с применением прямой теоремы Менелая (выполните его самостоятельно).

Теперь - самое время предложить вниманию читателей серию задач, где применение теоремы Менелая представляется красивым, эффективным, мощным.

Задача 1. Докажите, что медианы треугольника делятся точкой пересечения в отношении 2:1, считая от вершины.

Доказательство. Пусть медианы АМХ и ВМП пересекаются в точке M (рис.5). Применим теорему Менелая для ЬЛМХС и секущей ВМ2 :

рис.5

Задача 2. На продолжении стороны AB треугольника ABC за точку В взята такая точка D, что BD = —AB (рис.6). АК : КС = 2:1, где К - точка на стороне АС. Отрезок KD и сторона ВС пересекаются в точке Q. Докажите, что DQ = QK .

Доказательство. По теореме Менелая для AAKD и секущей С-Q-В имеем:

откуда получаем: DQ = QK .

рис.6

Задача 3. В треугольнике ABC сторона ВС = а. Точки N и Т соответственно на сторонах АС и AB таковы, что — = — и -= —. Прямые NT и СВ пересекаются в точке D (рис. 7). Найдите CD.

Решение. По теореме Менелая для ААВС и секущей N-T-D:

рис.7

Задача 4. Медиана ВМ2 и биссектриса СЦ в треугольнике ЛВС пересекаются в точке Q. Найдите отношение-, если А = 30°, В = 45°.

Доказательство. Пусть ВС - а, АС -Ъ (рис.8). По теореме Менелая для AACL3 и секущей

Поскольку АМ2 = М2С , то

где

(по свойству биссектрисы).

Тогда

рис.8

Задача 5. Биссектрисы АЦ и ВЦ треугольника ABC пересекаются в точке I (рис.9). Докажите справедливость формулы — =-.

Доказательство. По теореме Менелая для ААЦС и секущей BL0 имеем:

Однако

(свойство биссектрисы) и, поскольку

то добавив по 1 и перевернув, получим:

Таким образом,

рис.9

Задача 6. В треуголнике ABC ортоцентр H делит высоту ЛН1 пополам. Докажите, что cos Л = cosß • cos С.

Доказательство. Применим теорему Менелая для ЬАНХС и секущей ВН2 (рис. 10):

(1)

Но

1 (по условию); НХВ - с cos В

(из МВН,)\ ВС = а; CH2=acosC (из АСН2В)и Н2А = с-cos А (з ААН2В). Следовательно, согласно (1) получим:

откуда cos А = cos В • cos С.

рис.10

Задача 7. Через центроид M треугольника ABC проведена секущая к. Докажите, что в обозначениях рис. 11 выполняется равенство:

Доказательство. Проведем медиану АМХ и по теореме Менелая для ААВМХ и секущей к запишем:

(I)

Теорема Менелая для АСМХ и секущей к дает такое равенство:

Тогда

(2)

рис. 11

Сложив левые и правые части равенств (1) и (2), получим:

Задача 8. ВЦ и СЦ - биссектрисы в треугольнике ABC. Прямые L2L3 и ВС пересекаются в точке Q. Докажите, что Q совпадает с основанием внешней биссектрисы угла А.

Доказательство. Известно, что для точки F - основания внешней биссектрисы угла А - выполняется равенство: -= — (рис. 12). Докажите этот факт самостоятельно.

Чтобы Q = F , необходимо доказать: —— = — (рис. 13). По теореме Менелая для ААВС и секущей L2-L3-Q:

откуда

Следовательно, Q - основание внешней биссектрисы угла Л.

рис.12

рис.13

Задача 9. ABCD и AFKL - параллелограммы. FD и BL пересекаются в точке Т (рис.14). Докажите, что точки С-К-Т принадлежат одной прямой.

Доказательство. Применим теорему Менелая для AABL и секущей F-T-D.

(1)

Продолжим LK до пересечения с ВС в точке N . Если для ABLN и трех точек С ; К ; Т выполняется обратная теорема Менелая, то эти 3 точки принадлежат одной прямой.

Итак, проверим, равно ли 1 выражение

(2)

Нетрудно заметить, что

Подставим в (2) и получим формулу (1):

Следовательно, С-К-Т - одна прямая.

Задача 10. Серединный перпендикуляр к биссектрисе AL1 треугольника ABC пересекает прямую СВ в точке Е. Докажите, что — = —.

Доказательство. Пусть проведенный серединный перпендикуляр пересекает АС; АЦ и AB соответственно в точках К, Г, N (рис.15). Нетрудно показать, что AKL{N - ромб (покажите!) По теореме Менелая для ААВС и секущей К - N - Е :

Поскольку

рис.15 Рис16

И перед тем, как перейти к задачам для самостоятельного решения, обратим внимание на стереометрическое обобщение теоремы Менелая.

Если плоскость а пересекает ребра AB, ВС, CD и DA тетраэдра BACD соответственно в точках Аь Вь Сь Db то (рис.16).

Доказательство. Пусть \ ; h2 ; h, ; h4 - это расстояния соответственно от точек А ; В ; С ; D до плоскости а (нарис. 16 эти расстояния не указаны, однако их легко представить).

Тогда очевидно, что

Остается лишь перемножить полученные соотношения. Задачи для самостоятельного решения.

Задача П. В треугольнике ЛВС биссектриса АЦ делит сторону ВС в отношении 2 :1 (СЦ : ВЦ = 2:1 ). В каком отношении медиана СМ3 делит эту биссектрису?

Задача 12. Через точку М, - середину стороны ВС треугольника ЛВС - проведена прямая. Она пересекает АС в точке К и продолжение AB (за вершину В) - в точке /V, причем АК = AN . Докажите, что BN = CK .

Задача 13. На медиане СМ3 треугольника ABC взята точка К- такая, что CK : КМ3 =3:1. Прямые АК и ВС пересекаются в точке D. Найдите отношение площадей треугольников ACD и ABD.

Задача 14. АНХ - высота в треугольнике ABC, Я - его ортоцентр. Докажите, что-=-.

Задача 15. С помощью теоремы Менелая докажите теорему Чевы, если ААХ ; ВВХ и СС, пересекаются в одной точке - точке К (рис. 17), то справедливо такое правило шести величин:

рис. 17

Задача 16. С помощью теоремы Менелая докажите так называемую лемму о трапеции', середины оснований трапеции, точка пересечения ее диагоналей и точка пересечения продолжений боковых сторон лежат на одной прямой.

Задача 17. Q и Т-соответственно середины ВС и AD - оснований трапеции ABCD (рис. 18). К -точка на продолжении диагонали АС. Прямые KQ и AB пересекаются в точке £, а KT и CD - в точке F. Докажите, что EF\\AD.

Задача 18. Докажите, что точки пересечения серединных перпендикуляров к биссектрисам треугольника ABC с продолжениями соответствующих сторон треугольника лежат на одной прямой.

Задача 19 (обратная стереометрическая теорема Менелая). Если для четырех точек Ах\ Вх\ С, ; Dx, лежащих соответственно на ребрах А В, ВС, CD и DA тетраэдра, выполняется равенство

то четыре указанные точки лежат в одной плоскости.

рис.18

Глава 2

Менелай «со звездочкой»

В этой главе мы поведем разговор о задачах повышенной трудности, в которых успешно применяется теорема Менелая. Более того, без теоремы Менелая некоторые из этих задач становятся просто «неприступной крепостью». Вместе с тем они известны, важны и популярны. Поэтому представляется необходимым уделить пристальное внимание такого рода задачам.

Задача 1. Вневписанная окружность треугольника ABC касается стороны ВС и продолжений AB и АС в точках Т, N, К соответственно. Q - точка пересечения ВК и CN (рис. 1). Докажите, что точки А, Т, Q принадлежат одной прямой.

рис.1

Решение. Известно, что CT = CK = p-b,a BT = BN = р-с (покажите!). Пусть CQ = q и QN = п . По теореме Менелая для AACN и секущей К-Q-В :

(1)

Если для ABCN и трех точек А, Т, Q будет выполнено равенство

то по обратной теореме Менелая это и будет означать, что точки А, Г, Q лежат на одной прямой. Итак,

(2)

Но правая часть равенства (2) в точности равна левой части равенства (1). Значит,

Таким образом, точки А, Г, Q принадлежат одной прямой.

Задача 2. X - произвольная точка описанной окружности треугольника ABC. ХК, XN и XT - перпендикуляры, проведенные из Х к прямым ВС, АС и AB соответственно (рис.2). Докажите, что точки К, N, Т лежат на одной прямой (прямой Симпсона).

рис.2

Доказательство. Если мы докажем, что для ААВС и точек Т - N - К будет выполняться равенство

то, согласно обратной теореме Менелая, точки Т, N, К лежат на одной прямой. Пусть Z1 = Z2 = а (вписанные, опираются на одну дугу). Аналогично Z3 = Z4 = ß . Пусть также ZXCB = ф , тогда АХАВ = 180° - ф . А смежный с ним АХАТ = ф

Имеем: CN = СХ • cos а ; NA = AX-cosß ; AT = АХ-со$ф\ TB = BXcosa; ВК = BX-cosß и CK = СХ -соъф .

Тогда

Следовательно, Т - N - К - одна прямая.

Задача 3. Отрезок EF, соединяющий середины сторон AB и CD выпуклого четырехугольника ABCD, делится его диагоналями на три равные части. Докажите, что ABCD - трапеция. Найдите отношение ее оснований.

Решение. Пусть, согласно условию, ЕК = KN = NF (рис.3). Пусть также диагонали АС и BD пересекаются в точке О.

По теореме Менелая для ANBE и секущей О-К-А имеем:

откуда

(1)

рис.3

По теореме Менелая для AKCF и секущей О- N - D :

(2)

Из (1) и (2) следует:

Поскольку к тому же ZBOC = ZNOK - вертикальные, то АВОС ~ ANOK . Тогда Z\ = Z2 . Но они являются внутренними накрестлежащими при прямых ВС, EF и секущей BN. Следовательно, EF\\BC.

Становится очевидным, что ЕК- средняя линия в ААВС, то есть ЕК || ВС , а Ä77-средняя линия в ЛЛС£,или KF || AD. Значит, 2?С||уШ и ABCD-трапеция.

Пусть ЕК = KN = NF = t. Тогда £С = 2Ж =2/, a AD = 2KF = 4/. Отношение оснований в трапеции ABCD равно 2t : 4/ = 1:2.

Задача 4. Точки Т, N, D соответственно на сторонах ВС, АС и AB треугольника ABC таковы, что — = — = — = к (к < 1 ). Прямые AT, BN и CD в пересечении дают AQEF (рис.4). Найдите отношение площади AQEF к площади ААВС.

Решение. Пусть SAHC = S . Тогда

(треугольники BNC и ABC имеют общую высоту, проведенную из вершины В). Аналогично

По теореме Менелая для AABN и секущей C-Q-D имеем:

откуда

Тогда

(1)

рис.4

Следовательно, -— =-= —- (у треугольников CNQ и CNB - общая высота, проведенная из вершины С).

Значит, Поскольку

Задача 5. Три окружности с центрами Q,; 02; 03 не имеют общих точек Их попарные внешние касательные пересекаются в точках К, N, Т (рис.5). Докажите, что точки К, N, Т принадлежат одной прямой.

рис.5

Доказательство. Если для ЛО,0203 и точек К, N, Тлежащих на продолжениях его сторон, выполняется соотношение:

то по обратной теореме Менелая К - N -Т - это одна прямая. Обозначим радиусы окружностей О,; 02; 03 через гх\ г2; г3 соответственно. Нетрудно заметить, что

(из подобия треугольников (9,7Ю и 02TF). Аналогично

Перемножив и сократив, получим в ответе 1. Задача решена!

Задача 6. Окружность со описана около треугольника ABC. Касательные к со в вершинах треугольника пересекает прямые, содержащие его стороны, в точках К, N, Т(рис.6). Докажите, что К -N -Т - одна прямая.

Доказательство. Если для ААВС и секущей N - К -Т будет выполняться равенство

то по обратной теореме Менелая точки N - К -Т лежат на одной прямой. Покажем, что указанное равенство будет выполнено. КС ВК = КА2 (по теореме о квадрате касательной).

по теореме синусов для ААВК . Отсюда

Следовательно,

Аналогично

Перемножив левые и правые части последних трех равенств, получим 1, что равносильно решению задачи.

рис.6

Задача 7. Окружность, вписанная в треугольник ЛВС, касается его сторон ВС, АС и AB в точках АС,; К2; К3 соответственно. Прямые К2К3 и СВ пересекаются в точке N (рис.7).

F - середина отрезка MC,. Докажите, что касательные из точки F к вписанной и описанной окружностям треугольника ABC равны.

Доказательство. Касательную t из точки F к описанной окружности находим по формуле:

t2 = FC • FB (по теореме о квадрате касательной). Тогда, чтобы решить задачу, достаточно показать, что F К2 = FC • FB. Применим теорему Менелая к ААВС и секущей K2-K3-N :

или

откуда

Тогда NKX =BN + ВК, = Поскольку

(1)

Следовательно,

согласно равенству (1).

Таким образом, касательные из точки F к вписанной окружности треугольника ABC равны.

рис.7

Задача 8. Через М1 (середину стороны ВС треугольника ABC) и его инцентр I проведена прямая, пересекающая высоту ЛН1 в точке К (рис.8). Докажите, что АК = г, где г - радиус вписанной в треугольник ABC окружности.

Доказательство. Пусть в ААВС Ъ>с . Пусть также АЦ и АМ{ - соответственно биссектриса и медиана треугольника. Применим теорему Менелая для ААН^Ц и секущей Мх-1-К\

При этом,

известный факт геометрии треугольника.

Имеем:

откуда

или

Тогда К А =

что и требовалось доказать.

рис.8

Еще ряд задач «со звездочкой» на теорему Менелая предложим для самостоятельного решения.

Задача 9. Окружности щ и со2 имеют внешнее касание. К-точка пересечения их общих внешних касательных. Окружность со3 касается первых двух окружностей в точках Е и F. Докажите, что точки F, Е, К принадлежат одной прямой.

Задача 10. Прямая t пересекает стороны ВС, АС и AB треугольника ABC (или их продолжения) соответственно в точках Ах\ Вх\ С,. Докажите, что три точки, симметричные вершинам А, В и С относительно середин отрезков ВхС,; АХСХ и АхВ19 лежат на одной прямой.

Задача 11. Середины диагоналей выпуклого четырехугольника и середина отрезка, соединяющего точки пересечения продолжений его противоположных сторон, лежат на одной прямой - прямой Гаусса. Докажите!

Задача 12. (Теорема Паппа) На одной из двух пересекающихся прямых взяты точки А, В, С На другой - точки D, Е, F (рис.9). К = AEnBD ; N = AF nCD и Т = BF n СЕ . Докажите, что точки К, N, Г лежат на одной прямой.

Задача 13 (теорема Паскаля). Пусть шестиугольник ABCDEF вписан в окружность. Докажите, что точки пересечения его противоположных сторон лежат на одной прямой.

рис.9

Задача 14. (теоремаДезарга) Треугольники АХВХСХ и А2В2С2 расположены на плоскости так, что прямые АхАг \ В{В2 и С,С2 имеют общую точку Q (рис. 10). Пусть К = А]В]п А1В2 ; N = В,С, п£2С2 и Г = ДС п4С2. Докажите, что точки К, N, Т лежат на одной прямой.

рис.10

Задача 15. Если все стороны пространственного четырехугольника касаются некоторой сферы, то четыре точки касания лежат в одной плоскости. Докажите!

Глава 3

Последний геометр Эллады

Так сложилось, что Папп Александрийский (вторая половина III ст. н.э.) стал последним великим геометром Древней Греции. После него выдающихся геометрических исследований уже не было.

Главная работа Паппа - «Математические коллекции», которая состоит из 8 книг (Iя книга и значительная часть 2й не сохранились). В «Математических коллекциях» Папп собрал вместе все, что он считал важным в работах своих предшественников. От него мы узнали о некоторых произведения Евклида и Аполлония, которые не сохранились. О работах Менелая, Архимеда, Герона, Зенодора и других (всего свыше 30 авторов). Вдобавок, в отдельных случаях Папп Александрийский дополнил и распространил произведения выдающихся геометров в виде собственных лемм и теорем. 3я книга «Математических коллекций» посвящена задачам об удвоении куба и трисекции угла. В ней также дается новое построение 5 правильных многогранников, вписанных в данный шар.

В 4й книге Папп предлагает обобщенную теорему Пифагора, решает ряд задач на «арбелос» Архимеда. 5я книга знакомит нас с изопериметрическими фигурами («...из всех фигур на плоскости, которые имеют одинаковые периметры, наибольшую площадь имеет круг»).

В 6й книге речь идет об астрономических проблемах. Также рассматривается такая важная геометрическая фигура как эллипс. Собственная теорема об объемах тел вращения (намного позднее она получит название теоремы Паша-Гульдена) размещенная в 7й книге. И наконец, в 8й книге мы находим теорему о центре масс, рассмотрение важных вопросов из механики. Вот, коротко, даже и все...

Но именно сейчас наступает время подробно рассказать о наиболее важном и полезном, что сделал Папп Александрийский в геометрии. А также о применении его задач, лемм, теорем. Итак, начнем.

1. Задача Паппа. Дана точка на биссектрисе угла. Провести через эту точку прямую таким образом, чтобы ее отрезок внутри угла оказался заданной длины.

В современных обозначениях задача Паппа выглядит таким образом: построить ААВС по углу А , биссектрисе этого угла и стороне ВС , которая равняется а . Или совсем коротко: построить ААВС по а, А , 1а.

Рис. 1.

Решение. Анализ показывает: если продолжить биссектрису АЦ =1а до пересечения с описанной окружностью ААВС в точке W (рис. 1), то yjBW = vjCW (поскольку Z1 = Z2 = — ). Тогда и срединный перпендикуляр к ВС пройдет через W , т.е. WN - диаметр описанного круга ААВС. Итак, WN = 2R и MXW = п - известный отрезок (если к ВС провести срединный перпендикуляр до пересечения с дугой ВС , которая не содержит вершину А ). Обозначим LXW через X . Из подобия треугольников WAN и WMXLX (они оба прямоугольные и имеют общий Z3 ) получим:

посторонний корень.

(1)

Очевидно, отрезок A W нетрудно построить.

Отсюда построение: на отрезке ВС - а строим сегмент, который содержит угол А . Из точки М, - середины ВС - проводим перпендикуляр к ВС , который пересечет нижнюю часть круга в точке W . Дальше строим отрезок AW по формуле (1). После чего из точки W раствором циркуля AW делаем засечку на сегменте. Получим вершину А .

Заметим, что задача может иметь: 2 решения, одно решение, ни одного решения. 2. Применение задачи Паппа. Построить ААВС по ha; la; b + с.

Решение. AAHXLX, где АНХ = ha ; ALX = la , нетрудно построить по катету и гипотенузе (рис. 2). Пусть ZLXAHX =ср. Строим Ги -внешнюю биссектрису угла А (она перпендикулярна к la ), которая пересечет продолжение ВС в точке Г, т.е. AT = lfa . Продолжим CA на отрезок AD = с . Тогда ADAT = ABAT - по 2 сторонам и углу между ними. Итак, Z1 = Z2 .Но Z\=(p (поскольку ZHXAT = 90° -ср). Таким образом, ATDC можно построить по задаче Паппа: a, А , la (в наших обозначениях: Ъ + с\ 2ф ; Га ). Дальнейшее очевидно.

Рис. 2

Рис. 3

3. Теорема Паппа (обобщенная теорема Пифагора). На сторонах ААВС построены параллелограммы, как показано на рис. 3. Причем, Saktc = Sb SAKNB = S2; SBNTC = S3. Докажите, что Si + S2 = S3.

Решение. SKNBCTK = SKNT + S3. С другой стороны, Sknbctk = $ abc +Sl+S2. Поскольку ААВС = AKNT (по трем сторонам), то Sx+S2 = S3.

Заметим следующее: параллелограммы могут быть расположены иным образом (рис. 4). Главное -чтобы стороны параллелограмма BNTC были параллельны и равны отрезкам ВС и AD . Пусть SAEFc = S\ ; sapqb = s2 и sbntc = s3 • в этом случае равенство S] +S2 =S3 сохраняется (докажите самостоятельно).

Рис. 4

Если взять угол А прямым и построить не параллелограммы, а квадраты, то получим именно теорему Пифагора.

4. Применение обобщенной теоремы Пифагора для доказательства неравенства Эрдеша-Морделла.

Известное неравенство Эрдеша-Морделла выглядит таким образом: пусть расстояния от некоторой точки К внутри ААВС к его вершинам А, В, С равняются соответственно Ra, Rb, Rc (рис. 5). А расстояния от К к сторонам а, Ь, с-соответственноda, db, dc. Тогда справедливо неравенство:

Ra+Rb+Rc^2{da+db+dc)- Доказать!

Рис. 5

Рис. 6

Доказательство. Создадим ААВ]С] , где Вх и С, - точки, соответственно симметричные вершинам В и С относительно биссектрисы 1а (рис. 6). Построим параллелограммы AEFÇ и APQB[, чтобы они проходили через данную точку К . Применим теорему Паппа (обобщенную теорему Пифагора) для АА2?,С,, в котором АВХ - с ; А С, = Ъ ; 5,С, = а. Тогда £, = iS^£FC = b-dc\ = Sb,nt(\ =a-t<а-BXN = a-Ra . Поскольку S3 = .S, + S2, то ßtf = bdc + , или

. Аналогично нетрудно получить, что

Сложив три последних неравенства, получим:

Поскольку сумма двух взаимно-обратных положительных чисел не меньше, чем 2, неравенство Эрдеша-Морделла доказано: Ra +Rh+ Rc > 2(da +db+dc).

5. Теорема Паппа (из проективной геометрии). Пусть А, В, С- три точки на одной, а точки D, Е, F - три точки на другой прямой (рис. 7). Вдобавок, К = АЕ nBD ; N = AF n DC и Т = BF n CE. Докажите, что точки К, N, Т лежат на одной прямой.

Доказательство. Пусть прямые DB и ЕС пересекаются в точке L . Также Р = AF n BD и Q = AF n ЕС . Применим теорему Менелая несколько раз для ALPQ и разных секущих:

a) ALPQ и секущая D-N-C:

(1)

б) ALPQ и секущая А-К-Е:

Рис.7

(2);

в) ALPQ и секущая F-T-B:

(3);

г) ALPQ и секущая А-В-С:

(4);

д) ALPQ и секущая D-E-F :

(5);

Перемножим (1), (2) и (3) и поделим на (4) и на (5). После сокращения получим:

По обратной теореме Менелая точки К , N , Т лежат на одной прямой, что и нужно было доказать.

6. Применение теоремы Паппа из проективной геометрии.

Задача. К и N - произвольные точки соответственно на сторонах ВС и AD параллелограмма A BCD (рис. 8). АК и BN пересекаются в точке Е, а CN и DK - в точке F. Прямая EF пересекает стороны AB и CD соответственно в точках Р и Q. Докажите, что BP = DQ .

Решение. По теореме Паппа точки Е , F и точка пересечения BD и АС лежат на одной прямой. Но точка пересечения BD и АС - это точка О - центр симметрии параллелограмма. Поскольку прямая EF проходит через центр О симметрии параллелограмма (точку пересечения его диагоналей), то, очевидно, что BP = DQ .

Сделаем несколько важных замечаний относительно последней теоремы Паппа. В XVII веке благодаря работам французских математиков Жерара Дезарга (1593-1662) и Блеза Паскаля (1623-1662) начала быстро и энергично развиваться проективная геометрия. И тогда просто невозможно было не упомянуть о Паппе Александрийском. Действительно, давайте рассмотрим содержание теоремы Дезарга: если треугольники ABC и DEF расположены на одной плоскости таким об-

Рис. 8

Рис. 9

разом, что прямые AD, BE и CF проходят через одну точку К (рис. 9), то точки L, N , Т пересечения соответствующих сторон треугольников ( AB и DE ; СВ и FE ; АС и Z)F ) лежат на одной прямой. Разве эта теорема (иногда ее называют конфигурацией Дезарга) не напоминает теорему Паппа!

Теорема Паскаля утверждает: точки пересечения противоположных сторон шестиугольника, который вписано в коническое сечение, лежат на одной прямой.

Т.е., если на коническом сечении взять шесть точек: С, В , А , D , Е , F, то K = AEnBD; N = AF nCD и T = BF пСЕ принадлежат одной прямой / (рис. 10). В случае, когда коническое сечение вырождается в пару прямых, мы приходим к теореме Паппа.

Таким образом, теорема Паскаля является обобщением теоремы Паппа. А рис. 7 теоремы Паппа иногда называют конфигурацией Паппа-Паскаля.

Удивительно: приблизительно 1300 лет понадобилось человечеству, чтобы воспользоваться идеями Паппа Александрийского!..

Сегодня его считают отцом проективной геометрии!..

7. Две теоремы Паппа: о площадях поверхностей и объемах тел вращения (теоремы Паппа-Гульдина).

Интересно, что ни Папп, ни швейцарский математик Поль Гульдин (1577-1643), который, скорее всего, воспользовался работами Паппа, не предоставляют четкого доказательства этих теорем. Их первое доказательство появляется у итальянского геометра Бонавентура Кавальере (доказательство осуществляется, говоря сегодняшними терминами, с помощью интегралов).

Но сами теоремы достаточно важные. Вот они.

1я теорема Паппа-Гульдина. Если линия длиной I лежит в одной плоскости с осью d и по одну сторону от нее, то площадь поверхности, которая образуется при вращении этой линии вокруг d, исчисляется по формуле: Sn0B = 2кШ, где R - расстояние от центра массы линии к оси d.

2я теорема Паппа-Гульдина. Объем тела, образованного вращением плоской фигуры с площадью S вокруг оси d (d лежит в плоскости

Рис. 10

фигуры и не пересекает ее) находится по формуле: \ V = 2kRS [ где опять-таки R - расстояние от центра массы фигуры к оси d.

8. Применение теорем Паппа-Гульдина.

Задача а). Правильный треугольник со стороной a вращается вокруг оси, проходящей вне его плоскости через его вершину под углом a к прилежащей стороне. Определить площадь поверхности тела вращения.

Решение. Очевидно, что длина линии вращения / = 3а, а центр равностороннего треугольника является центром масс вращающейся линии. Из АСОК найдем OK = R (рис. 11). OK = СО sin(30° + a). По Iой теореме Паппа-Гульдин a:

Рис. 11

Задача б). Ромб со стороной а и острым углом a вращается вокруг оси, проходящей вне ромба параллельно к стороне на расстоянии — от нее. Вычислить объем тела вращения.

Решение. Площадь ромба S = a2 sma . Точка О пересечения его диагоналей АС и BD (рис. 12) является центром масс ромба. Для того, чтобы воспользоваться 2ой теоремой Паппа-Гульдина, необходимо найти OK = R .

OK = ON + NK где

по условию.

Итак,

откуда

Тогда

Имеем:

Рис. 12

Заметим, что обычным способом обе задачи решаются довольно громоздко.

9. Теорема Паппа о центре масс. На сторонах ВС, АС, AB треугольника ABC взяты соответственно точки D, Е ,F - такие, что (рис.13). Докажите, что центры масс (точки пересечения медиан) треугольников ЛВС и DEF совпадают.

Рис. 13

Решение. Отметим, что Папп доказывает эту теорему с помощью теоремы Менелая. Мы же сделаем это с помощью современного языка век торов, который кажется более эффективным и уместным.

Пусть M - точка пересечения медиан в треугольнике ЛВС , или его центр масс. Известно, что для центра масс выполняется векторное равенство: МА + МВ + MC = О . Если мы докажем равенство MD + ME + MF = О, то это будет означать, что точка M является центром масс и в треугольнике DEF . Поскольку по условию

то нетрудно показать, что и

Пусть эти отношения равняются некоторому числу к . Тогда, учитывая сонаправленность соответствующих векторов, имеем:

По правилу сложения векторов соответственно для треугольников MBD, МСЕ и MÄF получим:

1№ = Ш + Ш = Ш + к-~ВС (1);

Ш = МС + СЕ = МС + к-СА (2);

MF = MÄ + JF = MÄ + k-JB (3).

Или, после сложения левых и правых частей равенств (1), (2), (3):

1т + Ш + Ш = Ш + Ш + 1^ + к{^ + 'с^ + ^в).

Но ВС+СА+АВ=0 (замкнутый контур). Таким образом, MD + ME + MF = 0 и точка M также является центром масс в треугольнике DEF .

Кажется, в нашем разговоре довольно убедительно было показано, какой выдающийся вклад в развитие геометрии сделал Папп Александрийский. Если это так, то цель достигнута!

Остается предложить несколько задач для самостоятельного решения.

Задача 1. Построить ААВС по Ъ + с\ 1а\ В-С.

Задача 2. Построить ААВС по А , 1а, та (та - медиана к стороне а ).

Задача 3. Точки А , В , С расположены на одной прямой, точки D , Е , F - на другой, причем AD\\ CF и АЕ\\ BF (рис. 14). Докажите, что BD\\CE.

Задача 4. Квадрат ABCD со стороной а вращается вокруг оси d , проходящей вне его на расстоянии Ъ от вершины А и составляет угол а со стороной AB (рис. 15). Определить объем и площадь поверхности тела вращения.

Ответ.

Задача 5. Прямоугольник вращается вокруг оси, проходящей через его вершину параллельно диагонали. Определить объем и поверхность тела вращения, если диагональ прямоугольника равняется к , а угол между диагоналями равен (р .

Ответ.

Рис. 14

Рис. 15

Глава 4

Вписанный четырехугольник Брахмагупты

Хотя геометрические знания индийских математиков уступают алгебраическим, они достаточно важны и существенны. В VII веке н.э. в Индии появился важный астрономический трактат «Усовершенствованное учение Брахмы». Его автор - Брахмагупта (598-660 гг. н.э.) - наряду с обширным материалом по астрономии, арифметике, алгебре уделяет внимание вопросам геометрии. В частности, вслед за Птолемеем, он решает задачи, связанные с вписанным четырехугольником.

Задача 1. (Брахмагупта) Площадь вписанного четырехугольника вычисляется по формуле: S = yj(p - а)(р - b)(p - с)(р - d), где а, Ь, с, d -его стороны, р - полупериметр. Докажите!

Доказателство. Пусть вписанный четырехуголник ABCD со сторонами а, Ь, с, d вписан в окружность со (рис.1).

Пусть также А = а и С = 180° - а . По теореме косинусов для треугольников ABD и BCD имеем:

BD2 = a2 +b2 - lab cos a (AABD)

BD2 = с2 +d2 + led cos a (ABCD)

Приравняв правые части, получим:

(1)

Найдем площадь четырехугольника ABCD'.

откуда 2{аЪ + cd) sin а = 4S (2) Возведем обе части равенств (1) и (2) в квадрат и сложим:

рис.1

Дважды воспользовавшись формулой разности квадратов, получим необходимое:

Задача 2. Докажите справедливость формулы Герона в случае вырождения вписанного четырехугольника в треугольник.

Доказательство. Пусть d = О . Имеем треугольник а, Ь, с, около которого всегда можно описать окружность. Для него формула задачи 1 приобретает вид:

S = ^p(p-a)(p-b)(p-c).

Задача 3. Найти отношение диагоналей четырехугольника, вписанного в окружность.

Решение. Воспользуемся еще одной формулой Брахмагупты для ААВС : bc = ha-2R

Ее справедливость следует из подобия треугольников АНХВ и ACD (рис.2).

Тогда по этой формуле (рис.3) имеем: ab = /z, - 2R . Домножим обе части последнего равенства на BD = е : е • ab = е • \ • 2R , ил и e-ab = 4R- SABD (3) Аналогично для ABCD : cd = h2 • 2R ; е • cd = е • h2 • 2R , или е-cd = AR-SBCD (4) Сложив равенства (3) и (4), получим: e(ab + cd) = 4RS (5), где S = SABCl) = SABl) + SBCD.

Проделав такие же операции с треугольниками ABC, ADC и диагональю AC = f, получим: f(bc + ad) = 4RS (6)

Остается разделить (5) на (6):

рис.2 рис.3

Задача 4. (Брахмагупта) Стороны вписанного четырехугольника равны а, Ь, с, d. Найти его диагонали е и f.

Решение. Согласно равенствам (5) и (6) задачи 3 е{аЪ + cd) = f(bc + ad)

Домножим обе части записанного равенства на е\

е2 {ab + cd) = ef (be + ad).

Поскольку ef = ac + bd (теорема Птолемея), то

Аналогично получаем выражение для второй диагонали:

Задача 5. Постройте вписанный четырехугольник ABCD по его сторонам а, Ь, с, d.

Решение. Для построения достаточно знать одну из диагоналей четырехугольника ABCD, например, BD = е (рис.3). Тогда треугольники ABD и BCD легко строятся по трем сторонам. По задаче 4

Остается показать, как построить отрезок е.

Строим отрезки

воспользовавшись теоремой Фалеса.

Пусть также

Следовательно, нам необходимо построить отрезок / =

Затем строим отрезок t =

После чего - уже сам отрезок е - 4kt, построение которого также является тривиальной операцией.

задача 6. Докажите справедливость формулы для площади произвольного выпуклого четырехугольника ABCD:

Доказательство. Оно совершенно аналогично доказательству задачи 1-е той лишь разницей, что в данной задаче 6 А + С ф\ 80° . Очевидно, что в таком случае задачу 1 можно рассматривать как частный случай задачи 6.

Задача 7. Докажите, что площадь описанного четырехугольника ABCD со сторонами а, Ь, с, d находится по формуле:

Доказательство. Суммы противоположных сторон описанного четырехугольника равны: a+c=b+d=р. Тогда

р-а = с\ p-b = d; р-с = а ; p-d = b.

Формула задачи б принимает вид

или

Задача 8. Если четырехугольник ABCD одновременно является вписанным и описанным, S = л/äbcd . Докажите!

Доказательство. Воспользуемся формулой задачи 7 с учетом того, что в задаче 8

В поле пристального внимания Брахмагупты были и вписанные четырехугольники с перпендикулярными диагоналями. Он предложил правило для получения прямоугольных треугольников с целыми сторонами:

Например, при m = 3; /7 = 1 получаем знаменитый «египетский» треугольник.

Составляя треугольники такого вида, он получает вписанные четырехугольники с перпендикулярными диагоналями. Один из возможных вариантов показан на рис.4.

рис.4

Предложим несколько задач на вписанный четырехугольник с перпендикулярнами диагоналями.

Задача 9. (Брахмагупта) В окружность ш вписан четырехугольник ABCD с перпендикулярными диагоналями, которые пересекаются в точке Т. Докажите, что прямая из Т, проведенная перпендикулярно к любой из сторон, делит противоположную сторону пополам.

рис.5

Доказательство. Пусть ТК _L AB и прямая KT пересекает CD в точке N (рис.5). Покажем, что DN = NC . Пусть ZA ТК = ZCTN = ф . Тогда ZTAK = 90°-ф из ADTC . ZBDC = ZBAC = 90°-ф (вписанные, опираются на одну дугу в окружности со). Нетрудно сосчитать, что ZDCT = ф . Таким образом, TN = DN и 77V = CN, то есть прямая KT делит сторону CD пополам.

Задача 10. Точка Т пересечения диагоналей вписанного четырехугольника с перпендикулярными диагоналями спроектирована на стороны. Получены точки /С,; К2; К3; К4.При этом /V,; Л/2; Л/3; Л/4 - середины соответствующих сторон этого четырехугольника (рис.6). Докажите, что 8 указанных точек принадлежат одной окружности.

Доказательство. Очевидно, N]N2N3N4 - прямоугольник ( NXN2 \\АС и N2N3 II BD). Его диагонали NYN3 и N2N4 - диаметры описанной около него окружности. Точка Кх принадлежит этой окружности, поскольку Кх-Т-Иъ -одна прямая (Задача 9) и ZNXKXN3 = 90° . Аналогично показывается, что точки К2\ Къ\ К4 также лежат на этой окружности.

рис.6

Задача 11.0- центр окружности ш, в которую вписан четырехугольник ABCD с перпендикулярными диагоналями. ON _L CD (рис.7). Докажите, что ON

Доказательство. Проведем диаметр DQ. Очевидно, ON =~Q^ ~ как средняя линия в ADQC . Пусть ZI = Z2 = Z3 = ß (вписанные, опираются на uCD в окружности со). Тогда Z4 = Z5 = 90°- ß . Значит, kjQC = и AB . Равны и стягивающие их хорды: AB = QC . Поскольку ON = —QC, то ON=^AB.

рис.7

Прежде, чем перейти к задачам для самостоятельного решения, еще раз отметим: круг математических интересов Брахмагупты был необычайно широк. И геометрия в этом круге занимала пусть не слишком большое, но весьма достойное место.

Задача 12. Прямые, соединяющие середины дуг, стягиваемых противоположными сторонами вписанного четырехугольника, взаимно перпендикулярны. Докажите.

Задача 13. Докажите, что во вписанном четырехугольнике биссектриса внутреннего угла пересекается с внешней биссектрисой противоположного угла на окружности.

Задача 14. Докажите справедливость формулы для площади S четырехугольника со сторонами а, Ь, с, d, вписанного в окружность радиуса R:

Задача 15. (Брахмагупта) Зная высоту свечи и высоту вертикального шеста, а также расстояние между ними, найти длину тени шеста.

Задача 16. Четырехугольник вписан и описан. Докажите, что его площадь может быть найдена по формуле: S = 4Rr2(— + — ), где R, г соответственно радиусы описанной и вписанной окружностей четырехугольника, e,f- его диагонали.

Задача 17. Если четырехугольник является вписанным и описанным, то прямые, соединяющие точки касания противоположных сторон, перпендикулярны. Докажите.

Задача 18. Диагонали вписанного в окружность четырехугольника взаимно перпендикулярны. Расстояние от центра окружности до точки пересечения диагоналей равно q. Найдите расстояние между серединами диагоналей.

Задача 19. ABCD - четырехугольник с перпендикулярными диагоналями, вписанный в окружность œ с центром О. Докажите, что ломаная А-О-С делит площадь ABCD пополам.

Задача 20. Из всех четырехугольников с фиксированными длинами сторон вписанный четырехугольник имеет наибольшую площадь. Докажите!

Глава 5

Помогает формула Брахмагупты

Выдающийся математик и астроном Индии Брахмагупта (-598-660 гг. н.э.) оставил человечеству трактат «Обзор системы Брамы», который состоит из 20 книг. Большая часть его произведения посвящена астрономии, но в 12-й книге рассматриваются арифметические задачи и некоторые вопросы геометрии. Одна из геометрических задач, несомненно, заслуживает отдельного и особого внимания. Вот она: «Произведение двух сторон треугольника, деленное на высоту, проведенную к третьей стороне, равняется диаметру описанной окружности» Докажите!

В обозначениях рис. 1 эта задача имеет вид формулы: 2R = —

Доказательство. Проведем диаметр AD. Тогда ZACD = 90° (вписанный, опирается на диаметр). Поскольку Z1 = Z2 (также вписанные, опираются на одну дугу), то AACD- ААН^ .

Отсюда

Рис. 1

мп ab + be + ас Задача 1. Докажите, что ha+hb+ hc =-—-.

Доказательство. Это непосредственно вытекает из формул:

Такая несложная в доказательстве формула!.. Но

настолько широко ее применение в геометрических задачах в виде

что, наверное, уместно подвести ее к ряду теорем! Итак, попробуем обосновать наше заявление.

Задача 2. Докажите справедливость формулы для произвольного треугольника ABC:

Доказательство.

Задача 3. Докажите, что сумма расстояний от точки пересечения медиан треугольника ABC к его сторонам равняется

Доказательство. Пусть d\, d2, d3 - расстояния от центроида M к сторонам ВС, АС w AB соответственно (рис. 2). Поскольку по свойству центроида АМ:ММ]=2:1, то

Аналогично

Рис. 2

Задача 4. Докажите формулу квадрата площади треугольника ABC:

Доказательство.

Задача 5. Если в ААВС а>Ь, то и a + ha >b + hb. Докажите!

Доказательство. Покажем, что разность (a + ha)-{b + hh) неотрицательна.

Действительно,

(поскольку и 2R-c > О - диаметр не меньше хорды).

Задача 6. Докажите, что из отрезков a + ha, b + hb, c + hc всегда можно составить треугольник.

Доказательство. Пустьа>Ь>с . Тогда hü <hh<hc (большей стороне отвечает меньшая высота). По задаче 5 a + hü>b + hh>c + hc. Остается доказать, что даже большая сторона будущего треугольника будет меньше суммы двух других, т.е. а + hü < (b + hh )+(с + hc ). Но а<Ъ + с (неравенство треугольника для ААВС), и ha <hh +hc (ha-наименьшая из высот). Теперь становится очевидным, что а + ha <b + hh+c + hc. Задача решена.

Рис. 3

Задача 7. В некотором треугольнике ABC выполняется равенство: be = 2ft2. Докажите, что в таком случае А < 90°.

Доказательство. Согласно формуле Брахмагупты bc-hü-2R. Тогда по условию hü • 2R = 2R2, или ha=R. Покажем, что при ha=R угол А не превышает 90°. Пусть А>90° и центр О описанной окружности находится вне ААВС (рис. 3). Если радиус АО пересекает ВС в точке Т, то AT > hü (гипотенуза не меньше катета). Поскольку АО>АТ, то соответственно, и AO=R>ha. А это противоречит условию ha=R. Таким образом, А < 90° .

Рис. 4

Задача 8. Хорды AB и CD окружности радиуса R перпендикулярны и делятся точкой пересечения К на отрезки а, Ь, с, d (рис. 4). Докажите, что а2 + Ь2 + с2 + с/2 = 4ft2. (Архимед)

Доказательство. Очевидно, что с (из прямоугольного АВКС), а BD = л]ь2 +d2 - из прямоугольного ABKD. Поскольку отрезок ВК=Ь является высотой в треугольнике CBD, то по формуле Брахмагупты имеем:

откуда

Но по теореме о произведении отрезков хорд ab = cd;

Итак, AR2 = a2 +b2 +с2 +d2, что и надо было доказать.

Задача 9.1 - центр вписанной окружности треугольника ABC. 1а -центр вневписанной окружности, которая касается ВС и продолжений сторон АС и AB. Докажите справедливость формулы:

Доказательство. Поскольку 1аК = 1аТ = га , то центр /а принадлежит прямой, которая содержит внутреннюю биссектрису угла Л (рис. 5). Поскольку 1аК = IaN, то 1а принадлежит внешней биссектрисе угла С. Тогда Z/C4 =90° (угол между биссектрисами смежных углов). ZCIIa = ç = (внешний для AAIC). Итак,

Таким образом, треугольники А1аС и ABI имеют по 2 равные угла

т.е. они подобны. Итак,

или AI • А1а - Ъс . Воспользовавшись формулой Брахмагупты, получим:

Рис. 5

Задача 10. Что больше: р2 или hahb +hbhc +hahc ?

Решение.

Теперь нетрудно сравнить

или R и 2г. Поскольку в любом треугольнике R>2r (известное неравенство, следствие из формулы Эйлера Ol2 = R2 -2Rr ), то и р2 > hühh + hbhc + hühc. Знак равенства имеет место в равностороннем треугольнике.

Задача 11. Докажите, что ha+hb+hc <

Доказательство. По формуле Брахмагупты hcx +hb+ hc =

Но аЪ + Ъс +ас<а2 +Ъ2 + с2 (знаменитое неравенство «трех квадратов»). Итак, необходимое неравенство доказано!

Задача 12. Докажите неравенство: ha+hb+hc >9г.

Доказательство. Поскольку hcx +hh +hc =

то необходимо доказать, что

или аЪ + be + ас > I SRr .

Остается доказать, что аЬ + Ьс + ас>

или

Последнее неравенство довольно известно! Оно доказывается раскрытием скобок - с учетом того факта, что сумма обратных положительных величин не меньше, чем 2.

Задача 13. Докажите справедливость неравенства для площади треугольника: S > 2\lRr3 .

Доказательство. Известно, что каждая из высот треугольника большае 2г , т.е. ha > 2г ; hh > 2г ; hc > 2г . Согласно формуле Брахмагупты bc = ha-2R> ARr. Аналогично ас > 4Rr и ab> ARr . Перемножив левые и правые части последних трех неравенств, получим: а2Ь2с2 >64#У , или abc > SRsIRrJ . Поскольку - S , то S > 2л1 RrJ , что и необходимо было доказать.

Предлагаем несколько задач для самостоятельного решения.

Задача 14. Докажите, что в произвольном ААВС

(^-^)(è-Ac)(c-Aa) = (û(-Ac)(è-Aa)(c-AJ.

Задача 15. С помощью формулы Брахмагупты постройте отрезок х = —, где Ь, с, а- данные отрезки. Задача 16. Докажите справедливость формул для площади треугольника ЛВС:

а) б)

Задача 17. Докажите следующие неравенства:

а) б)

в)

Глава 6

Геометрические задачи Бхаскары

Замечательный математик Индии Бхаскара (1114--1178) оставил человечеству трактат «Венец науки», состоящий из четырех частей. В первой части -«Лилавати», посвященной своей дочери, - он рассматривает в основном задачи арифметики. Вместе с тем в этой части Бхаскара решает и ряд геометрических задач. Вторая часть - «Биджаганита» - посвящается алгебре, хотя и в ней некоторым вопросам геометрии уделено внимание. Третья и четвертая части трактата полностью связаны с астрономией.

Уровень математических знаний Бхаскары очень высок. Его тригонометрические таблицы синусов выполнены с точностью до семи знаков после запятой. Он решает задачи на бассейны (совместную работу) и смеси, извлекает квадратные и кубические корни. Пользуется формулой «сложного радикала»:

Разрабатывает методы решения диофантовых уравнений (первой и второй степени) и даже рассматривает некоторые вопросы комбинаторики. Нас же будет интересовать в первую очередь геометрический материал, изложенный в труде «Венец науки». Итак, геометрические задачи Бхаскары.

Задача 1. AB и CD-две палки бамбука, вертикально воткнутые в землю, причем AB = m, CD = n (рис.1). Найдите длину перпендикуляра, проведенного к земле, из точки К пересечения AD и ВС.

Решение. Пусть KT— искомый перпендикуляр. Пусть также ТС = х, AT = у . Из подобия треугольников ТКС и АБС:

(1)

Из подобия треугольников АКТ w ADC:

(2)

Сложив левые и правые части ра-

рис.1

венств (I) и (2), получим:

откуда

(Заметим в скобках, что сегодня эта задача - одна из наиболее популярных задач на трапецию).

Задача 2. Найдите стороны прямоугольного треугольника, в котором известны площадь S и периметр 2р.

Решение. Пусть в ААВС угол С - прямой, то есть awb - катеты, с - гипотенуза (рис.2). Согласно условию

Кроме того, в прямоугольном треугольнике выполняется равенство a + b-c = 2r (г-радиус вписанной окружности). А для любого треугольника

Тогда имеем:

(3) (4)

Вычтем равенство (4) из равенства (3):

Сложив (3) и (4), получим:

Кроме того, ab - 2S

Решая систему из последних двух уравнений, найдем катеты ААВС :

рис.2

Задача 3. Найти все прямоугольные треугольники, в которых гипотенуза выражается тем же числом, что и площадь.

Решение. Согласно рис.3 по теореме Пифагора с1 = а2 + Ь2.

Нетрудно заметить, что для положительных чисел x, m, п справедливо равенство

(т>п)\

((т2 + n2)xf =((т2 -n2)xf + (2mwcf (1)

Тогда роли гипотенузы с и катетов а и Ъ могут выполнять соответственно указанные в равенстве (1) величины:

с = (т2 + п2)х ; а = (т2 -п2)х\ Ъ- 2тпх.

По условию

Следовательно, Таким образом,

Например, при m = 2; /7 = 1 находим:

При этом,

Замечание. Поскольку справедлива формула для прямоугольного треугольника: ch = ab , то, согласно условию, с - \^ab - \^ch и h = 2.

Значит, прямоугольный треугольник с высотой h = 2, проведенной к гипотенузе, и гипотенузой с > 4 удовлетворяет указанным в задаче требованиям. На рис.4 показан пример построения такого прямоугольного треугольника.

рис.3

рис.4

Задача 4. Найти высоту сегмента, зная хорду и радиус круга.

Решение. Пусть дана окружность œ с центром О радиуса /?ив ней хорда AB = a (рис.5). Необходимо найти KN = х — высоту сегмента.

Диаметр, перпендикулярный хорде, делит ее пополам. Поэтому

AN = NB = - .

Из прямоугольного треугольника AON найдем ON.

Тогда

рис.5

Задача 5. Найти отношение объема шара к площади его поверхности.

Решение. Будем рассматривать шар как совокупность иглоподобных пирамид, вершины которых находятся в центре шара, а основания - на его поверхности. Тогда, чтобы найти объем шара, следует 1/3 его поверхности умножить на радиус (т.к. радиус является высотой во всех иглоподобных пирамидах).

Следовательно,

Замечание. По современным формулам

Что касается числа я, то Бхаскара рекомендовал брать (число Архимеда) или же более точное

Последнее было получено последовательным вписыванием в круг правильных 6й, 12й, 24х, 48й, 96й, 192х, 384х-угольников.

Труд Бхаскары «Венок науки» содержит также два доказательства теоремы Пифагора. Одно из них использует подобие и является достаточно традиционным. А вот второму доказательству, вернее его педагогической идее, будет посвящена вся следующая глава.

Глава 7

«Смотри!» - педагогическое открытие Бхаскары

В труде Бхаскары (1114 —1178) «Венец науки» среди геометрического материала встречаем два доказательства теоремы Пифагора. Одно из них - обычное, с помощью подобия. Зато второе - просто блестящее!..

Под рисунком (рис.1) Бхаскара делает одну-единственную подпись: «Смотри!» А мы сами должны сообразить, что большой квадрат площади с2 состоит из маленького квадрата площади (a-bf и четырех равных прямоугольных треугольников площади ^ab каждый. Откуда с2=а2+Ь2. В таком подходе Бхаскары к задаче есть все, что любимо геометрией: лаконичность, наглядность, возможность домысливать, изобретать, испытывать Радость открытия!

Бхаскара блестяще вторит Архимеду, написавшему в письме другу, что он не считает нужным показывать решение задачи полностью - дабы не лишать его, друга, удовольствия самому прийти к этому решению. А может быть, на эту мысль Бхаскару натолкнуло доказательство Евклидом в I книге «Начал» теоремы о сумме углов треугольника (рис.2). Действительно, нужны ли какие-либо комментарии, кроме «Смотри!»?

Со времен Бхаскары многое изменилось, в том числе и в геометрии. В то же время педагогика слова «Смотри!» не только осталась, но и приобрела еще большую ценность, засияла новыми гранями. Предлагаемая серия задач призвана показать и доказать это.

Между рисунком (а) условия задачи и рисунком (б) с подписью «Смотрите!» может проходить от двух до пяти и более минут - в зависимости от возраста детей, подготовленности класса, целей урока. Решение задачи при рисунке (а)

рис.1

рис.2

удается далеко не всем учащимся. В то же время рисунок (б) с подписью «Смотрите!», где проведена дополнительная линия, указаны равные отрезки и углы, - позволяет сделать задачу посильной для всех. А это ли не есть главная Педагогическая Задача урока?

Задача 1. В треугольнике ABC высота АН^ равна медиане ВМ2 (рис.За). Найдите величину угла СВМ2.

Решение. Смотрите рис. 36! х = 30° .

рис.За рис. 36

Задача 2. AB, ВС, CD - три неравные хорды окружности. К, N, Т-соответственно их середины (рис. 4а). Докажите равенство углов х и у.

Решение. Смотрите рис. 46!

рис. 4а рис.46

Задача 3. В равнобедренном треугольнике ABC (AB = АС) проведена биссектриса BQ (рс.5а). Докажите, что BQ < 2CQ.

Решение. Смотрите рис. 56!

рис. 5 a рис.56

Задача 4. L- основание биссектрисы угла А в треугольнике ABC. Луч LE проведен под углом к ВС, равным А (рис.ба). Докажите, что LE = BL.

Решение. Смотрите рис.66!

рис.ба рис.66

Следующие две задачи (задачи 5 и 6) можно найти в трудах более поздних (XVI столетие) комментаторов трактата Бхаскары.

Задача 5. Выведите формулу для площади треугольника: S = —aha (рис. 7а).

Решение. Смотрите рис. 76!

рис. 7а рис. 76

Задача 6. Докажите, что площадь круга равна площади прямоугольника, одна сторона которого есть полуокружность, а другая - радиус.

Решение. Смотрите рис. 8!

рис.8

Задача 7. В треугольнике ABC угол А равен 30°. Докажите, что ВС = R (R-радиус описанной окружности треугольника ABC).

Решение. Смотрите рис.9!

рис.9

Задача 8. В треугольнике ABC через инцентр I проведен отрезок KN II ВС (рис. 10а). Докажите, что KN = BN + CK .

Решение. Смотрите рис. 106!

рис. 10а рис.106

Задача 9. Около треугольника ABC с указанным инцентром I описана окружность (рис.11 а). Одной линейкой постройте центр окружности, описанной около ABIC.

Решение. Смотрите рис. 116!

рис. 11а рис. 11 б

Задача 10. Окружности со и щ пересекаются в точках Л и В. Через эти точки произвольно проведены секущие EF и NT (рис.12а). Докажите, что EN II FT.

Решение. Смотрите рис. 126!

рис. 12а рис. 126

Задача 11. M,; М2\ М3 - соответственно середины сторон ВС, АС и AB треугольника ABC (рис.1 За). Докажите, что описанные окружности треугольников АМ2М3; ВМ^М3; СМ\М2 пересекаются в одной точке.

Решение. Смотрите рис. 136!

рис. 13а рис.136

Задача 12. Медианы ВМ2 и СМ3 треугольника ABC пересекаются в точке M (рис. 14а). Докажите, что SBMC = SAM2MM3.

Решение. Смотрите рис. 146!

рис.14а рис.146

Задача 13. Дан квадрат ABCD. KL и QT - препендикулярные отрезки с концами на противоположных сторонах квадрата (рис.15а). Докажите, что KL = QT .

Решение. Смотрите рис. 156!

рис. 15а рис.156

Задача 14. Окружности со и щ пересекаются в точках А и В. KN -произвольная секущая (рис. 16а). Докажите, что a + ß = 180°.

Решение. Смотрите рис. 166!

Рис. 16а Рис.166

Задача 15. А - произвольная точка окружности ш с центром О. На АО как на диаметре построена окружность шь Докажите, что ш1 делит пополам любую хорду AB (рис. 17а).

Решение. Смотрите рис. 176!

рис. 17а рис. 176

Задача 16. Дан треугольник ABC периметра 2р. Из вершины А проведены перпендикуляры AN и AT на внешние биссектрисы углов В и С соответственно (рис.18а). Найдите длину отрезка NT

Решение. Смотрите рис. 186! NT = р .

рис. 18а рис.186

Задача 17. В треугольнике ABC проведены внутренние биссектрисы АЦ и ВЦ. Оказалось, что /_,L> - биссектриса угла АЦС (рис.19а). Найдите величину угла А.

Решение. Смотрите рис. 196! А = 120° .

рис. 19а рис.196

Задача 18. В окружности радиуса R проведены два перпендикулярных диаметра AB и CD. Из произвольной точки К окружности к ним проведены перпендикуляры KN и KT (рис.20а). Найдите длину NT

Решение. Смотрите рис.206! NT = R .

рис. 20a рис.206

Задача 19. (Брахмагупта) Докажите справедливость формулы для треугольника ABC: bc = ha2R (рис.21 а).

Решение. Смотрите рис.216!

рис.21а рис.216

Задача 20. Высота АН^ и медиана ЛМ, образуют равные углы со сторонами AB и АС соответственно (рис.22а). Определите вид треугольника ABC.

Решение. Смотрите рис.226!

рис.22a рис.226

Прежде, чем перейти к задачам для самостоятельного решения, в которых может успешно применяться призыв «Смотри!», не забудем поблагодарить Бхаскару за этот мудрый педагогический девиз, приглашающий расти и развиваться.

Задача 21. / -точка пересечения биссектрис в треугольнике ЛВС со стороной ВС = а. IK\\AB, IN\\AC (рис.23). Найдите периметр треугольника IKN.

Задача 22. На окружности со дана точка Д а внутри окружности - точка /. Постройте треугольник ЛВС, вписанный в со , для которого точка / была бы инцентром.

Задача 23. М2 и М3 - соответственно середины сторон АС и AB треугольника ЛВС. Известно, что точки В; Мъ \ М2; С лежат на одной окружности. Определите вид треугольника ЛВС.

Задача 24. В треугольнике ЛВС со стороной ВС = а медианы mh и тс изаимно перпендикулярны. Найдите длину медианы та.

Задача 25. ABCD- вписанный четырехугольник. Докажите, что внутренняя биссектриса угла Л и внешняя биссектриса угла С пересекаются на окружности.

Задача 26. AB - хорда некоторой окружности с серединой в точке К. CD - диаметр этой окружности. Отрезок CK продолжен на столько же за точку К и получили точку N ( CK = KN ). Докажите, что AB _L DN .

Задача 27. К- произвольная точка внутри треугольника ABC. G, и G, - точки пересечения медиан соответственно в треугольниках АКС АКВ. Найдите G,G2, если известно, что ВС = а .

Задача 28. СИ- высота, проведенная к гипотенузе AB в прямоугольном треугольнике ABC. Т- середина СН, Q- середина АН. Докажите, что ВТ 1 С Q

Задача 29. Н{ - основание высоты, проведенной из вершины А в треугольнике ABC. Восстановите треугольник ABC по длинам отрезков ВН] ; СН], а также длине медианы mh.

Задача 30. В равнобедренном треугольнике длины равных медиан равны т.

Какой может быть наибольшая площадь такого треугольника?

Ответ:

рис.23

Глава 8

Аль-Хорезми и геометрические решения алгебраических уравнений

Замечательный математик из Хорезма Аль-Хорезми (780-850 гг.) был первым, кто отделил алгебру от арифметики. Он жил и работал в Багдаде во времена, когда халиф Аль-Мамун собрал ученых в так называемом Доме Мудрости.

В Доме Мудрости имелись библиотека и обсерватория, здесь переводились и переписывались труды древнегреческих геометров, сочинялись новые научные трактаты.

Книга Аль-Хорезми «О восстановлении и противопоставлении» («Китаб алъ-джабр аль-мукабала») была посвящена искусству решения уравнений. В эпоху Аль-Хорезми отрицательные числа считались фиктивными, даже абсурдными. Зато перенесение их в другую часть уравнения с положительным знаком восстанавливает их в своих правах, превращает в настоящие числа. Отсюда и алъ-джабр (восстановление), давшее название алгебре. Книга написана как руководство юношам - для решения практических, житейских задач. Но в ней достаточное внимание уделено и геометрическим вопросам: теореме Пифагора, измерению площадей, вычислению объемов.

Труд Аль-Хорезми оказал огромное влияние на последующие поколения. Его переписывали, им пользовались в повседневной практике.

Мы же подробнее остановимся на том, как Аль-Хорезми геометрически решал квадратные уравнения (вот оно, блистательное содружество алгебры и геометрии!)

Для решения ставшего знаменитым квадратного уравнения

x2 +10х = 39

Аль-Хорезми предложил два геометрических способа.

I способ.

К каждой стороне квадрата ABCD со стороной х прикладываем по прямоугольнику со второй стороной, равной (рис.1).

рис.1

Тогда площадь четырех прямоугольников вида Sx равна

А площадь четырех квадратов вида S2 равна

Остается записать, чему равна площадь большого квадрата KLMN: skimn =S + 4S, +4S2, или skimn =х2 +\0х + 25.

Поскольку по условию x2 +1 Ох = 39 , то SK/MN = 39 + 25 = 64

Следовательно,

откуда x = 3 .

Заметим, что уравнение х2 +1 Ох-39 = 0 имеет и отрицательный корень, равный -13, но, как мы уже говорили, во времена Аль-Хорезми такой корень не рассматривался.

// способ.

К данному квадрату ABCD со стороной, равной х, приставляем два прямоугольника, вторая сторона которого равна 5 (рис.2). Такую фигуру, состоящую из квадрата S и двух прямоугольников вида S3, древнегреческие математики называли гномоном.

Очевидно, что 2S3 = 2 • 5 • х = 1 Ох .

Оставшаяся фигура - квадрат DEN F со стороной 5, то есть S4 = 52 = 25 . Тогда площадь большого квадрата BQNTравна: SBQNT =S + 2S3+S4 = x2+10x + 25.

Учитывая то, что х2 +10х = 39 , получаем: SBQNT=64 и BQ = S. Поскольку BQ = х + 5 , то х = 3 .

Как видим, не взирая на то, что имя Аль-Хорезми в нашем сознании прочно связано с алгеброй, этот выдающийся ученый блестяще связывал алгебраические и геометрические знания в единое звено!

И последнее. Имя Аль-Хорезми у нас то и дело на устах: часто употребляемое нами слово «алгоритм» как раз и есть фамилия Аль-Хорезми в переводе с арабского на латынь.

рис.2

Глава 9

Сабит ибн Корра: второе рождение сочинений Архимеда, Аполлония и Менелая

Заслуги математика, механика, астронома Сабита ибн Корры (836-901 гг.) куда большие, чем создание авторской задачи или даже серии авторских задач. Он сберег, сохранил, перевел с греческого чудом сохранившиеся сочинения Архимеда, Аполлония и Менелая. После него многие арабские математики уточняли, дополняли эти сочинения, предлагали свои решения к задачам, но Сабит ибн Корра был первым! Во многом благодаря ему мы знаем «Книгу лемм Архимеда», книгу Архимеда «О построении круга, разделенного на 7 равных частей». Работу Архимеда «О касающихся кругах». Книги с 4й по 7ю главного труда Аполлония «О конических сечениях». «Сферику» Менелая, которая и поведала всему миру о теореме Менелая. Эти сочинения сохранились в виде перевода на арабский, выполненного Сабитом ибн Коррой.

При этом вот что пишет сам Сабит ибн Кора во время работы над одной из книг Архимеда: «Желая переписать эту книгу, я смог достать только дефектный материал, испорченный из-за невежества того, кто его переписывал, и недостаточного понимания им предмета. С большим трудом мне удалось исследовать и проанализировать задачи этой книги и привести предложения этой книги в порядок при помощи легких и близких по значению разъяснений».

Сабит ибн Корра родился в месопотамском городе Харране. Его предками были звездопоклонники - сабии (наверное, отсюда любовь к астрономии - на всю жизнь!) Он жил и работал в Багдаде, в Доме Мудрости, собравшем в своих стенах крупнейших ученых средневекового Востока. Сабит ибн Корра сделал комментарии к «Началам» Евклида, «Альмагесту» Птолемея. Написал два трактата о пятом постулате Евклида. Решил ряд задач по сферической тригонометрии. Рассмотрел вопросы, связанные с квадратурой параболы, и многое другое.

Все же главное, что сделал этот ученый, - познакомил арабских математиков, а затем и весь мир с рядом важнейших сочинений Архимеда, Аполлония и Менелая, о которых никто не знал. «Книга лемм» Архимеда в особых комментариях не нуждается. Это действительно одна из лучших книг по геометрии за всю историю математики - как в плане уровня помещенных в ней задач, так и в плане их важности и полезности. В сочинении Архимеда «О правильном семиугольнике» сторона этого семиугольника строится с помощью вставки, которая выполняется посредством конических сечений.

Для работы с книгами Аполлония «О конических сечениях» необходимо владеть основами аналитической геометрии. О теореме Менелая сказано много.

Мы же поведем дальнейший разговор о сочинении Архимеда - «Книге о касающихся кругах» в переводе Сабита ибн Корры. Эта книга представляется блистательным гимном теме «Подобие треугольников». Предложенные ниже задачи будут располагаться в том же порядке, что и в «Книге» (что не всегда соответствует возрастанию уровня сложности). Формулировки задач - современные. Решения задач - в основном по «Книге», но иногда более поздние, экономные. Несколько задач из «Книги» не включены в подборку, поскольку представляются тривиальными.

«Книгу о касающихся кругах» Сабит ибн Корра начинает словами:

Архимед сказал:... И далее идет

Задача 1. Три круга с площадями Sb- S2; S3, центры которых лежат на прямой I, касаются внешним образом и имеют общую касательную к (рис.1). Докажите, что

Решение. Пусть Ох\ 02; 03 - центры данных кругов и Я,; Я,; R3 - соответственно их радиусы.

KE = 2Rl; NF = 2R2 ; TG = 2R3,

где К, N, Г-точки касания к с /ьш, 2ЬШ и 3"Л1 кругами соответственно. Из подобия треугольников KENNFT(покажите, что N - В- Е - одна прямая и Т -С - F - тоже) следует:

(1)

Подобие треугольников KFN и NGT дает следующую пропорцию:

(2)

Из (1) и (2) следует:

Поскольку площадь круга вычисляется по формуле S = кК1, то имеем:

Что и требовалось доказать!

Задача 2. В условиях задачи 1 к первому и второму кругам проведены касательные СМ - m и DQ = q (рис.2). Докажите, что

рис.2

Решение. В задаче 1 получено:

Тогда

Последнее равенство означает, что Л(9,МС ~ A02QD . Следовательно,

откуда

Задача 3. Два круга с площадями S, и S2 имеют внешнее касание в точке В. AB = 2R1 и ВС = 2R2 - соответственно их диаметры (рис.3). CT = t- касательная к первому кругу. AN = п - касательная ко второму кругу. Докажите, что

рис.3

Решение. По теореме о квадрате касательной для второго круга:

По той же теореме для первого круга:

Тогда

Задача 4. QA - касательная к окружности ш. AB - диаметр ш. С - точка пересечения BQ и ш (рис.4). Докажите, что AB2 = BQBC.

Решение. Соединим А и С. ZACB = 90° (вписанный, опирается на диаметр). Тогда АС - высота, проведенная к гипотенузе BQ в прямоугольном AQAB . В таком случае, справедлива формула: AB2 = BQBC .

рис.4

Задача5. С- точка на продолжении диаметра AB окружности ш (рис.5). CK - касательная к ш, которая при продолжении «встречает» перпендикуляр из А к AB в точке D. Докажите, что DKKC = АО-АС.

Решение. Соединим К и О. Очевидно, что ACAD ~ АСКО . Тогда — = — , или AD-КС = OK• АС . Поскольку AD = DK (касательные) и OK = R = АО, то получаем требуемое: DK-KC = AO-AC.

рис.5

Задача 6. На продолжении диаметра AB окружности ш взята точка С (за точку В). CK - касательная к ш. Перпендикуляр к AB в точке В «встречает» CK в точке D (рис.6). Докажите, что CK BD = OB ВС.

Решение. Соединим К и О.

АСОК ~ ACDB , откуда

Так как OK = R = OB, то CK • BD = OB ВС .

рис.6

Задача 7. ш1 и ш2- два непересекающихся круга с центрами 0*1 и 02. О^К - касательная к ш1 (рис. 7). Эти касательные пересекаются в точке Т. Докажите, что OïTTK = 02T-TN.

Решение. Нетрудно заметить, что точки О,; N; К; 02 лежат на окружности с диаметром 0{02.

Тогда для этой окружности по теореме о произведении отрезков хорд OxT-TK = 02T-TN.

рис.7

Задача 8. AK и AN - касательные к окружности ш. На продолжении AN взята точка В. ВТ- также касательная к ш (рис.8). Прямые ВТ и АК пересекаются в точке С, а прямые NT и АС-в точке D. Докажите, что

Решение. Проведем CQ\\ AB . Тогда ZI = Z4 - как внутренние накрест лежащие ( AB \ \ CQ ). Но Z1 = Z2 ( BN = ВТ) и Z2 = Z3 - вертикальные. Следовательно, CQ = CT = CK . Из подобия AADN и ACDQ следует: -=-. Поскольку AN = AK и CQ = CT = CK , то имеем:

что и требовалось доказать!

рис.8

Задача 9. В условиях задачи 5 пусть AN - перпендикуляр на CD (рис.9). Докажите, что

Решение. ADAC ~ АО КС и

(1)

Кроме того, по теореме Фалеса ( ОК\\ AN)

и, так как OA = OK = R, то

(2)

Из (1) и (2) получаем:

Но DA = DK (касательные). Поэтому:

рис.9

Задача 10. В условиях задачи 5 докажите, что — = — (рис. 10).

Решение. Соединим D w О, К w В. Для решения задачи достаточно показать, что DO\ \ KB. Покажем это. Z1 в два раза меньше, чем ZAOK (вписанный и центральный). Но ZAOK состоит из двух равных углов ( Z2 = Z3 - из равенства AAOD и AKOD ). Следовательно, Z2 = Z1 и DO\\KB.

Тогда по теореме Фалеса

рис.10

Задача 11 В условиях задачи 5 проведен отрезок BE 1 AB (Е принадлежит DC). Докажите, что

(рис.11).

Решение. ACAD ~ AC BE, откуда -=-. Заменив DA на DK, a BE на КЕ, получим требуемое.

рис. 11

Задача 12. На продолжении диаметра AB окружности ш взята точка С, из которой проведена к ш касательная CK (рис. 12). KT -перпендикуляр на AB. Докажите, что

рис.12

рис.13

Решение. Из А и В проведем перпендикуляры к AB до пересечения с прямой CK соответственно в точках D и Е (рис. 13).

Подобие треугольников ADC и ВЕС дает пропорцию:

Но

Тогда

Поскольку

(теорема Фалеса), получаем требуемое:

Заметим, что каждая из предложенных двенадцати задач имеет и другие способы решения. Например, задачу 12 можно также решить с помощью теоремы о квадрате касательной или же воспользовавшись свойством внешней биссектрисы треугольника (КА - внешняя биссектриса для треугольника СКТ -рис.12). В целом же, повторим, задачи из «Книги о касающихся кругах» Архимеда можно рассматривать, как чрезвычайно полезную серию упражнений по теме «Подобие». Но и это не все.

Поистине шедевром «Книги о касающихся кругах» является ее завершающая Задача - так называемая теорема Архимеда. Через полтораста лет Аль-Беруни предложит около двадцати способов ее доказательства, выведет ряд тригономерических формул с помощью теоремы Архимеда... Но это будет позже... А пока Сабит ибн Корра, завершая «Книгу о касающихся кругах», приводит три способа доказательства этой теоремы.

Но теорема Архимеда - это тема уже другого разговора. Сейчас лишь сформулируем теорему в том виде, как это сделал Сабит ибн Кора, и предложим ее решить самостоятельно. Теорема Архимеда.

«Если в сегменте круга прямая линия сломана на две части, стягивающие две неравные дуги, и из точки, делящей сегмент пополам, опущен перпендикуляр на большую из частей ломаной линии, то он разделит ломаную линию пополам».

С-А-В - вписанная в круг ш ломаная. D - середина дуги ВАС. DK 1 АС (рис. 14). Докажите, что CK =КА + АВ.

рис.14

Глава 10

Абу-л-Вафа и циркуль постоянного раствора

Математик и астроном из Хорасана (Иран) Абу-л-Вафа (940-998 гг.) с 20 лет жил и работал в Багдаде - крупнейшем научном центре арабского халифата. Он написал руководство по практической арифметике, в котором показал, как работать с обыкновенными дробями, как их сокращать. Он первым в Багдаде стал использовать отрицательные числа. Абу-л-Вафа написал комментарии к Евклиду, Птолемею, Диофанту. В своем астрономическом трактате «Совершенная книга» он впервые пользуется секансом и косекансом, составляет более точные таблицы синусов, тангенсов и котангенсов, доказывает теорему синусов.

Что касается геометрии, то здесь Абу-л-Вафа пишет оригинальное сочинение: «Книга о том, что необходимо ремесленнику из геометрических построений». В ней он приводит разнообразные построения, применявшиеся в архитектуре, технике, землемерии. Одна из глав книги посвящена решению задач на составление квадрата из нескольких квадратов. Вот пример такой задачи, носящей сегодня имя Абу-л-Вафы.

Задача Абу-л-Вафы. Способом разрезания составьте квадрат из трех данных равных квадратов.

Решение. Возьмем два данных квадрата, разрежем их по диагонали. Полученные части приложим диагоналями к сторонам тетьего квадрата ABCD (рис. la). Поскольку АКТЕ = ANTA - по стороне и двум углам (рис. 16), то треугольником КТЕ можно заполнить пустоту на месте треугольника NTA. Выполнив аналогичные операции еще три раза, получим квадрат KLMN.

рис. 1a рис.1б

Однако наибольший интерес для нас в геометрии представляют задачи Абу-л-Вафы на построение, в которых помимо линейки используется циркуль постоянного раствора («заржавленный» циркуль, как позже скажет Леонардо да Винчи). Циркулем постоянного раствора пользовались и в Индии, и в Древней Греции. Это было обусловлено тем, что при измерениях на местности часто неудобно (или даже невозможно) проводить окружности разных радиусов. Тем не менее, именно Абу-л-Вафа впервые систематизировал задачи с циркулем постоянного раствора, поместив в своей книге по практической геометрии порядка 15 таких задач. О некоторых из них мы и поведем дальнейший рассказ, где наряду с решениями Абу-л-Вафы будут представлены более поздние и даже современные решения некоторых задач. Итак,

Задачи, выполняемые с помощью линейки и циркуля постоянного раствора, равного R.

Задача 1. Через данную точку К провести параллель к прямой I (рис.2).

Решение. На прямой / дважды отложим отрезки, равные R (AB = ВС = R). Порядок дальнейших операций укажем лишь цифрами. KN- искомая прямая.

рис.2

Задача 2.

Разделите данный отрезок: а) пополам; б) на п равных частей; в) в отношении m : п

Решение.

а) Пусть дан отрезок ВС. Отложив на прямой ВС два отрезка, равные R (ВТ = TQ = R), проведем прямую n II ВС (Задача 1) - рис.3. Затем, как и в задаче /, воспользуемся леммой о трапеции: середины оснований трапеции, точка пересечения диагоналей и точка пересечения продолжений ее боковых сторон лежат на одной прямой.

б) Пусть п = 5 . Отложим на луче/ выходящем из точки С, пять отрезков, равных R (рис.4). Соединим последнюю точку деления Е с В. Проведя через точки деления F, G, К, N параллели к BE, получим требуемое. Таким образом, построение совпадает с классическим.

в) Как в пункте б) откладываем на луче / отрезок R m раз. Например, на рис.4 показано, как разделить ВС в отношении 3:2 и 4:1.

рис.3

рис.4

Задача 3. Постройте биссектрису угла.

Решение. Смотрите рис. 5.

рис.5

Задача 4. Отложите угол, равный данному углу ВАС.

Решение. Через произвольную точку К проводим п \\ AB и /1| АС согласно задачи 1 (рис.6). Очевидно, что ф = ABAC .

рис.6

Задача 5. Из точки Т вне прямой I проведите перпендикуляр к I, а из точки К el восстановите перпендикуляр к прямой I.

Решение. Строим на прямой / АВ = ВС = CD = R (рис.7). Окружности с центрами в В и С пересекаются в точках EwF. Нетрудно показать, что EF _L / (покажите!). Тогда остается через точки Т и К провести прямые параллельно EF (Задача 1).

рис.7

Задача 6. Постройте центр данной окружности ш.

Решение. Из произвольной точки А на со строим окружность радиуса R, которая пересекает со в точках В и С (рис.8). Из В и С как из центров строим такие же окружности.

Пусть равные окружности попарно пересекаются в точках Е и F, Р и Q. Остается доказать, что прямые EF и PQ пересекаются в центре О окружности со (докажите!)

рис.8

Задача 7. На данной прямой I отложите отрезок, равный данному отрезку ВС.

Решение. Через С проводим произвольную прямую/ Пусть она пересекает / в точке D (рис.9). Через D проводим параллель к ВС, а через В - параллель к/ (Задача 1). При этом DT = ВС (BCDT-параллелограмм). Далее строим биссектрису ZTDQ (Задача 3). Из Г проводим к ней перпендикуляр 77V (Задача 5), который при продолжении пересекает / в точке К. Очевидно, DK = DT = ВС .

рис.9

Задача 8. На данном отрезке ВС постройте правильный треугольник ABC.

Решение. Строим равносторонние треугольники BEF и CKN со стороной R (рис. 10). Прямые BF и CN пересекутся в искомой вершине А.

Задача 9. В данный круг впишите а) квадрат, 6) правильный шестиугольник.

Решение, а) Находим центр О данного круга (Задача 6) и проводим произвольно диаметр AB (рис.11). Через О проводим перпендикуляр к AB, который пересекает окружность в точках С и D. ACBD- квадрат, вписанный в данную окружность.

рис.10

б) От точки О откладываем угол 60° (к отрезку АО)- например, построив равносторонний AOEF со стороной R (рис.11). Проведенный луч пересекает окружность в точке N. AN- сторона правильного шестиугольника. Дальнейшее очевидно!..

Задача 10. В данный квадрат ABCD впишите равносторонний треугольник BKN.

Решение. На стороне CD квадрата строим равносторонний ACED (Задача 8), а на стороне AD - равносторонний AAFD (рис. 12). Прямые BE и BF в пересечении с AD и CD соответственно дадут недостающие вершины К и N равностороннего ABKN (покажите, что ZABK = ZCBN = 15° ).

Задача 11. Из точки А вне окружности ш проведите касательную к ш.

Решение. Находим центр О окружности со (Задача 6). Делим отрезок OA пополам (Задача 2а) - точка Q (рис. 13). Из точки Q как из центра радиусом, равным /?, строим окружность со]. Пусть (о] пересекает со в точках Kw Кх.

Прямые QK и QKX пересекут окружность со в искомых точках касания Т и Тх (покажите это при помощи гомотетии).

Замечание. Предложите способ построения касательной в случае, когда окружность щ радиуса R с центром в Q не будет пересекать со.

рис. 11

рис.12

рис.13

В заключение - несколько задач для самостоятельного решения, выполняемых линейкой и циркулем постоянного раствора.

Задача 12. Удвойте данный отрезок.

Задача 13. На данном отрезке постройте: а) квадрат; б) правильный шестиугольник.

Задача 14. В данную окружность впишите правильные /7-угольники: а) п = 3; б) /? = 8; в) п = \0.

Задача 15. В данный равносторонний треугольник впишите квадрат.

Глава 11

Аль-Беруни и теорема Архимеда

Круг интересов Аль-Беруни (973-1048) - замечательного ученого из Хорезма -был необычайно широк. Трактаты по математике, астрономии, физике, географии, фармакологии, медицине - всего около 150 научных работ! Не случайно его называют крупнейшим ученым-энциклопедистом. Что касается математики, то в трудах Аль-Беруни впервые встречаем доказательство теоремы синусов. Он формулирует в явном виде и решает кубические уравнения х3-Зх-1 = 0 и X3 - Зх +1 = 0 . Это он поведал нам историю, вернее, задачу-легенду о шахматах и зернах. «Отношение окружности к диаметру иррационально». - утверждает Аль-Беруни. Он показывает, как по высоте горы определить радиус Земли и приводит точнейшие расчеты. Он первым вводит единичный радиус тригонометрического круга и поясняет, почему так лучше, удобнее, проще. Аль-Беруни тщательно изучает трактаты древнегреческих математиков, математику Индии, работы своих предшественников из Дома Мудрости в Багдаде. При этом беседует, спорит, ведет дружескую переписку со своим выдающимся современником -врачом и философом Ибн Синой (Авиценной).

Принимая своеобразную эстафету от Сабита ибн Корры, Аль-Беруни пишет «Трактат об определении хорд в круге при помощи вписанной в него ломаной линии». И если Сабит ибн Корра сохранил, сберег для нас теорему Архимеда, то Аль-Беруни поднял ее значимость на высочайший уровень, дал ей достойнейшее применение.

Теорема Архимеда.

Если вписанная в дугу круга прямая линия сломана на две неравные части, и я опущу на нее из середины этой дуги перпендикуляр, то она (ломаная) разделится им пополам.

Согласно рис. 1 на ломаную ABC из середины D дуги ABC опущен перпендикуляр DK. Необходимо доказать, что в таком случае ломаная разделится пополам, то есть АК - KB + ВС .

В своем «трактате» Аль-Беруни приводит три доказательства этой теоремы, данные Архимедом. Два из них мы предложим вниманию читателей (третье в значительной степени похоже на второе).

рис.1

Первое доказательство. (Архимед) Отложим uDN = и DB (рис.2), а также отрезок KT = KB . Соединим точку D с точками A, N, Т, а также точки А и N. Очевидно, DN = DB (равные дуги стягиваются равными хордами) и DT = DB (DK- высота и медиана в ABDT ). Z1 = Z2 - вписанные, опираются на равные дуги.

Zl + Z3 = -uDNA . Но и Z4 = — и DNA (вписанный), следовательно Z4 = Z1 + Z3 .

Z5 = Z2 + Z6 - внешний для AADT Но Z5 = Z4, тогда Z4 = Z2 + Z6 = Z1 + Z3 . Поскольку Z\ = Z2 , то Z3 = Z6 и AADN = AADT - по двум сторонам и углу между ними. Тогда AN = AT . Но AN = ВС , т.к. и AND = uDBC - по условию, a uDN = и DB - по построению.

Получается, что AT + ТК = KB + ВС , или АК = KB + ВС , что и требовалось доказать.

рис.2

Второе доказательство. (Архимед) На продолжении KB за точку В отложим КЕ-КА (рис.3). Тогда £)£ = DA {DK - высота и медиана в AADE ). Но и DC = DA (D - середина дуги ABC).

ZI = Z2 - вписанные, опираются на одну дугу. И Z1 = Z3 ( AADE -равнобедренный), отсюда Z3 = Z2 . Поскольку ADCE - равнобедренный (DC = DE) и Z2 = Z3 , то и Z4 = Z5 . Следовательно, и АВСЕ - равнобедренный и ВС = BE . По построению АК = КВ + ВЕ . Так как BE = ВС, получаем требуемое: АК = КВ + ВС.

рис.3

Сам Аль-Беруни предлагает около 20 способов (!!!) доказательства теоремы Архимеда, демонстрируя разнообразие подходов к решению одной и той же задачи. Сегодня мы знаем, сколь велика педагогическая ценность решения одной задачи многими способами!

А потому - еще три способа доказательства теоремы Архимеда от автора «Трактата».

Третье доказательство. (Аль-Беруни)

Проведем DQ\\AB (рис.4). Очевидно, AQDB - равнобокая трапеция и AQ = BD ; AF = KB . Поскольку и АО = u/)/i и D-середина дуги ABC, то и ВС = uDQ , а значит, равны и соответствующие отрезки: ВС = DQ = KF . Значит, AF + FK = KB + ВС , или АК = КВ + ВС.

рис.4

Четвертое доказательство. (Аль-Беруни)

Отложим KT = KB (рис.5). Так как D - середина дуги ABC, то DA = DC . Z\ = Z2 - вписанные, опираются на одну дугу. Пусть ZDBT = ZDTB = а . Тогда и DA = uDBC = 2а . Вписанный ZDBC = ^-(360° - 2а) = 180° - а . Также и ZDTA = 180°-а (смежный с углом DTB). Следовательно, по стороне и двум прилежащим углам равны треугольники ATD и CBD, откуда AT = ВС , что делает задачу решенной.

рис.5

Пятое доказательство. (Аль-Беруни) Из точки D проведем перпендикуляр DL на прямую СВ (рис.6). Поскольку Z1 = Z2 и DA = DC , то AAKD = ACLD - по гипотенузе и острому углу. Значит, LC = АК и LD = DK . Соединим DwB. ADLB = ADKB (по катету и гипотенузе). Значит, BL = ВК . При этом LC = АК . Следовательно, АК = КВ + ВС , что и требовалось доказать.

Бережное отношение к теореме Архимеда позволило Аль-Беруни решить ряд задач, в которых она была успешно применена. Вот, например, каким образом Аль-Беруни решает задачу, приписываемую Менелаю.

рис.6

Постройте треугольник ABC по следующим элементам: а; А; Ь+с.

Решение Аль-Беруни. На отрезке ВС = a строим сегмент, вмещающий данный угол А (рис. 7).

Находим точку D - середину дуги ВАС. На DB как на диаметре описываем окружность. А из точки В раствором циркуля, равным —^— (согласно теореме Архимеда), делаем на ней засечку - получаем точку К. Продолжение ВК пересекает окружность в недостающей вершине Л. Исследование показывает, что Задача может иметь два решения (симметричных), одно решение, ни одного решения (при Ь + с < a ).

рис.7

В своей тригонометрической книге «Канон Масуда по астрономии и звездам» Аль-Беруни доказывает ряд важнейших тригонометрических формул, основываясь на теореме Архимеда. Вот одна из них.

Докажите справедливость следующей тригонометрической формулы:

Пусть D - середина дуги ABC, DK -перпендикуляр на AB. Пусть также ZACB = a , ABAC = ß (рис.8).

Тогда вся дуга ABC равна 2a + 2ß , а ее половина, uDBC = а + ß . ußl) = a + ß-2ß = a-ß и a-ß ZBAD =-— (вписанный). Очевидно, что в равнобедренном треугольнике ADC ZACD=^^- = ZCAD (вписанные, опираются на равные дуги). По теореме синусов для ААВС имеем: AB = 2Rsma и BC = 2R-s\nß.

По этой же теореме для AADC DA = DC = 2R • sin а ^ ^ . Из прямоугольного

С другой стороны, по теореме Архимеда

Получаем:

и, после сокращения на R,

рис.8

И в заключение - несколько задач, в которых «выручает» теорема Архимеда.

Задача 1. Докажите, что проекция диаметра описанной окружности, перпендикулярного первой стороне треугольника, на прямую, содержащую вторую сторону, равна по длине третьей стороне.

Задача 2. Биссектриса угла А треугольника ABC пересекает описанную окружность в точке W. Докажите, что:

а)

б)

Задача 3. Докажите, что в обозначениях рис.1 выполняется равенство:

AB • ВС + BD2 = AD2

Задача 4. В и С - фиксированные точки окружности, по которой произвольно перемещается точка Л. Точка К- середина ломаной CAB. Найдите геометрическое место точек К.

Глава 12

Олимпиадный треугольник Аль-Беруни

«Я сделал то, что надлежит сделать всякому в своей отрасли - с признательностью воспринять старания своих предшественников и без стеснения исправить их погрешности».

Аль-Беруни

Новые задачи, решаемые математиками стран арабского халифата, часто сводились к решению уравнений третьей степени. Через корни кубических уравнений были найдены стороны некоторых правильных многоугольников, что представлялось важным для составления более точных таблиц хорд (таблиц синусов). Аль-Беруни для нахождения стороны правильного 9-угольника предложил оригинальный способ, в результате которого вышел на уравнение х3-Зх + 1 = 0. Решив его (к сожалению, способ Аль-Беруни неизвестен), он нашел сторону правильного 18-угольника, а затем и 9-угольника, с точностью до восьми знаков после запятой. В своих вычислениях Аль-Беруни пользовался единичным радиусом - вместо деления радиуса на части, сделанного Птолемеем. При этом он подробно объяснил, почему так лучше, удобнее, проще (заметим, что единичный радиус тригонометрического круга был введен в активное употребление значительно позже, благодаря трудам Леонарда Эйлера).

Вот какой треугольник «приглянулся» Аль-Беруни для получения уравнения х3 -Зх + 1 = О

Рассмотрим равнобедренный треугольник ABC ( AB = AC = 1 ) с углом 20° при вершине (рис. 1). Пусть ВС = x - хорда круга, а вернее, сторона правильного 18-угольника, вписанного в круг. Отложим на боковых сторонах треугольника ABC ломаную С - К - N -Т, где CK = KN = NT = x . Нетрудно заметить, что при этом ACKN - равносторонний. Углы в AKNT равны 40°;40°; 100° . И, поскольку

рис 1

ZTNA = 20° , то и AT = NT = х . Так как ААВС ~ ЛСЖ , то - =-, откуда ВК = X2. Проведем СЕ и /^-соответствующие высоты к основаниям в равнобедренных треугольниках СВК и ATN. Тогда

Поскольку AAQT ~ ААЕС , то

Далее Аль-Беруни находит х своим (неизвестным нам) способом - с высокой степенью точности. ВС = х - сторона правильного 18-угольника, вписанного в окружность. После чего нетрудно найти СЕ - половину стороны правильного, вписанного в этот круг, 9-угольника.

Все, что сделано здесь Аль-Беруни, добротно и эффективно. Оно заслуживает отдельного разговора еще и потому, что треугольник, придуманный Аль-Беруни, оказался жизнеспособным. Этот треугольник понравился математикам. Стали появляться задачи с ним. В результате сложилась коллекция задач с треугольником Аль-Беруни (в основном, олимпиадного характера). Предложим вниманию читателей некоторые из таких задач, а сам треугольник рискнем назвать олимпиадным.

Задача 1. Пусть АВ = АС = Ь, ВС = а , ZBAC = 20°. Докажите, что b > 2а (рис.2).

Решение. Отложим на АС отрезок CF = a . В AABF выполняется неравенство: AF > BF (против большего угла лежит большая сторона). Аналогично, в ABFC имеет место неравенство: BF > ВС . Тогда тем более A F > ВС . Отсюда АС = AF + FC > 2ВС , или b > 2a .

рис.2

Задача 2. Докажите, что Ь < За.

Решение. К ААВС пристроим два таких же, как он, треугольника ABD и ACL (рис.3), AABD и AACL . Очевидно, AALD - равносторонний, и LD = b . Поскольку длина ломаной DBCL больше длины отрезка LD, то b<3a.

рис.3

Задача 3. На AB отложим AT = а . Найдите ZBTC .

Решение. Мы уже знаем, что CK = KN = NT = ТА = a и что ACKN - равносторонний (рис.4). ZANT = 20° -является внешним для равнобедренного ACNT. Тогда ZNCT = ZNTC = 10°. Поскольку ZNTK = ZNKT = 40° , то ZBTC = 40°-10° = 30°.

рис.4

Задача 4. Докажите справедливость равенства для олимпиадного треугольника Аль-Беруни: а3+Ь3 =ЗаЬ2.

Решение. Из прямоугольного ААВН sin 10° = — (рис.5). Известно, что sin За = 3 sin а - 4sin3 а . Значит, sin 30° = 3 sin 10° - 4sin310° , или — =--4—- , откуда получим: a3 +b3 = 3ab2 .

рис.5

Задача 5. На сторонах АС и AB треугольника Аль-Беруни взяты соответственно точки D и F такие, что ZDBC = 50°, a ZFCB = 60°. Найдите величину угла DFC (рис.6).

Решение.

По теореме синусов для AABD :

По той же теореме для ABCF :

Заменим ВС на CD (они равны, т.к. ZCBD = ZCDB = 50° ).

Итак,

Следовательно, ACDF ~ AADB - по пропорциональности двух сторон и равенству углов между ними. Значит, ZDFC = ZDBA = 30° .

рис. 6

Задача 6. При помощи олимпиадного треугольника Аль-Беруни докажите справедливость тригонометрического равенства:

Решение. Проведем в ААВС высоту АН (рис.7).

Из прямоугольного ААВН : .

(1)

Построим на ВС равносторонний ABDC (D - на высоте АН). Выполним засечку DE = a (Е е AB). Поскольку ZDEB = 20°, и он - внешний для AAED , в котором ZDAE = 10° , то и ZADE = 10° и АЕ = ED = a. Тогда AD = 2AK,rjxQ ЕК _L AD , a AK = АЕ-cosl0° . Итак,

(высота в равностороннем ABDC ).

рис.7

Следовательно, АН = AD + DH, или АН = 2а • cos 1 0°+^ (2)

Из (1) и (2) получим: ^ctg\0° = 2a-cosl0° + -^-, или c/gl0°-4cosl0° = 7з , что и требовалось доказать.

Несколько задач предложим для самостоятельного решения.

Задача 7. На сторонах АС и AB треугольника Аль-Беруни взяты точки К и N соответственно - так, что ZKBC = 70°, ZNCB = 60° . Найдите величину угла NKB.

Задача 8. На стороне АС отложили AQ = ВС . Найдите величину угла QBC.

Задача 9. В треугольнике Аль-Беруни D g АС и Е g AB - такие, что CD = АЕ = ВС . Найдите ZADE .

Задача 10. Воспользовавшись треугольником Аль-Беруни, докажите тригонометрическое равенство:

Литература

1. Александров И.И. Сборник геометрических задач на пострение. - М: Учпедгиз, 1950.

2. Архимед Сочинения. - М.: ГИФМЛ, 1962.

3. Баран O.I. Математичні мініатюри. - Харків, Основа, 2003.

4. Барыбин К.С. Сборник еометрических задач на доказательство. - М. Учпедгиз, 1954.

5. Бевз Г.П. Геометрія кіл. - Харків, Основа, 2004

6. Бевз Г.П. Геометрія чотирикутника. - Харків, Основа, 2003.

7. Билецкий Ю., Филипповский Г. Чертежи на песке. - К.: Факт, 2000.

8. Ван дер Варден Б.Л. Пробуждающаяся наука. - М.: ГИФМЛ, 1959.

9. Великина П.Я. Сборник задач по геометрии. - М.: Просвещение, 1971.

10. Воробець Б.Д. 200 задач з планіметрії. - Львів, ВНТЛ, 1997.

11. Вышенский В.А. и др. Сборник задач Киевских математических олимпиад. - К.: Выща школа, 1984.

12. Гельфанд М.Б., Павлович B.C. Внеклассная работа по математике. -М.: Просвещение, 1965.

13. Глейзер Г.И. История математики в школе, VII - VIII классы. - М.: Просвещение, 1982.

14. Делоне Б., Житомирский О. Задачник по геометрии. - М.: Физматгиз, 1959.

15. Еленьский Щепан. По следам Пифагора. - М.: Детгиз, 1961.

16. Зетель СИ. Новая геометрия треугольника. - М.: Учпедгиз, 1962.

17. Игудисман О.С. Математика на устном экзамене. - М.: Московский лицей, 1997.

18. Каган В.Ф. Архимед. - М.: ГИТТЛ, 1949.

19. Кованцов Н.И. Математика и романтика. - К.: Вища школа, 1980.

20. Кованцов М.І. Математична хрестоматія.-К.: Радянська школа, 1970.

21. Конфорович А.Г. Визначні математичні задачі. - К.: Радянська школа, 1981.

22. Крысицкий В. Шеренга великих математиков. - Варшава, Наша Ксен-гарня, 1970.

23. Кушнир И. Альтернативные способы решения задач (Геометрия). К: Факт, 2006.

24. Кушнір I.A. Методи розв'язання задач з геометрії. - К.: Абрис, 1994.

25. Кушнір І.Ф. Трикутник і тетраедр у задачах. - К.: Радянська школа, 1991.

26. Лурье M.B. Геометрия. Техника решения задач. - М.: УНЦДО, 2002.

27. Лурье С.Я. Архимед. - М.: Издательство АН СССР, 1945.

28. Пидоу Д. Геометрия и искусство. - М.: Мир, 1979.

29. Прасолов В.В. Геометрические задачи древнего мира. - М.: Фазис, 1997.

30. Розенфельд Б.А. Аполлоний Пергский. - M.: МЦНМО, 2004.

31. Тихомиров В.M. Рассказы о максимумах и минимумах. - М.: Наука, 1986.

32. Ткачук В.В. Математика абитуриенту. - М.: МЦНМО, 2006.

33. Филипповский Г. Школьная геометрия в миниатюрах. - К.: Грот, 2002.

34. Халамайзер А.Я. Пифагор. - М.: Высшая школа, 1994.

35. Черватюк О.Г., Шиманська Г.Д. Елементи цікавої математики. - К.: Радянська школа, 1968.

36. Чистяков В.Д. Старинные задачи по элементарной математике. -Минск: Вышейша школа, 1978.

37. Шарыгин И.Ф. Задачи по геометрии. Планиметрия. М.: Наука, 1986. Библиотечка "Квант".

38. Шарыгин И.Ф., Гордин Р.К. Сборник задач по геометрии. 5000 задач с ответами. - М.: Астрель, 2001.

39. Ямблих. О Пифагоровой жизни. - М.: Алетейа, 2002.

Григорий Филипповский

Авторская школьная геометрия

Части 1 и 2

Верстка: Алексей Глушич

Обложка: Лейла Наврозашвили

Бумага офсетная, формат 60x84 1/16. Печать лазерная.

g.filippovsky@yandex.ua

Киев, 2012