сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word

Дан впи­сан­ный четырёхуголь­ник ABCD. Окруж­но­сти с диа­мет­ра­ми AB и CD пе­ре­се­ка­ют­ся в двух точ­ках X1 и Y1. Окруж­но­сти с диа­мет­ра­ми ВС и АD пе­ре­се­ка­ют­ся в двух точ­ках X2 и Y2. Окруж­но­сти с диа­мет­ра­ми и ВD пе­ре­се­ка­ют­ся в двух точ­ках X3 и Y3. До­ка­жи­те, что пря­мые X_1Y_1, X_2Y_2, X_3Y_3 пе­ре­се­ка­ют­ся в одной точке.

 

(М. Дидин)

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

I спо­соб. На­ря­ду с каж­дой точ­кой M будем рас­смат­ри­вать её ра­ди­ус-век­тор m=\overrightarrowO M, где O  — центр опи­сан­ной окруж­но­сти четырёхуголь­ни­ка ABCD.

Ра­ди­ус-век­тор цен­тра окруж­но­сти \Omega_A B, по­стро­ен­ной на от­рез­ке A B как на диа­мет­ре, равен  дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbola плюс \boldsymbolb пра­вая круг­лая скоб­ка , а её ра­ди­ус равен  дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби |\boldsymbola минус \boldsymbolb| . Сте­пень точки S с ра­ди­ус-век­то­ром  дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbola плюс \boldsymbolb плюс \boldsymbolc плюс \boldsymbold пра­вая круг­лая скоб­ка от­но­си­тель­но \Omega_A B равна

 дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbolc плюс \boldsymbold пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те минус дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbola минус \boldsymbolb пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те = дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbolc, \boldsymbold пра­вая круг­лая скоб­ка плюс дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка \boldsymbola, \boldsymbolb пра­вая круг­лая скоб­ка

(по­сколь­ку |\boldsymbola|=|\boldsymbolb|=|\boldsymbolc|=|\boldsymbold пра­вая круг­лая скоб­ка . Оче­вид­но, сте­пень точки S от­но­си­тель­но \Omega_C D будет такой же. Зна­чит, S лежит на ра­ди­каль­ной оси X_1 Y_1 этих окруж­но­стей. Ана­ло­гич­но S лежит на X_2 Y_2 и X_3 Y_3, что и тре­бо­ва­лось. Ва­ри­а­ция. Пусть K, L  — се­ре­ди­ны сто­рон AB и CD, а точка S сим­мет­рич­на цен­тру O от­но­си­тель­но цен­тра тя­же­сти вер­шин A, B, C, D . Тогда K O L S минус па­рал­ле­ло­грамм (см. ре­ше­ние 2). Зна­чит,

K S в квад­ра­те минус K A в квад­ра­те =O L в квад­ра­те минус левая круг­лая скоб­ка O A в квад­ра­те минус O K в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка =O K в квад­ра­те минус левая круг­лая скоб­ка O C в квад­ра­те минус O L в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка =L S в квад­ра­те минус L C в квад­ра­те .

Это зна­чит, что сте­пе­ни точки от­но­си­тель­но окруж­но­стей \Omega_A B и \Omega_C D равны, по­это­му S лежит на ра­ди­каль­ной оси X_1 Y_1 этих окруж­но­стей. Ана­ло­гич­но S лежит на X_2 Y_2 и X_3 Y_3, что и тре­бо­ва­лось.

II спо­соб. Тео­ре­ма Монжа. Пер­пен­ди­ку­ля­ры, опу­щен­ные из се­ре­дин сто­рон впи­сан­но­го четырёхуголь­ни­ка ABCD на про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны и из се­ре­дин его диа­го­на­лей на про­ти­во­по­лож­ные диа­го­на­ли, про­хо­дят через одну и ту же точку (точку Монж­са).

До­ка­за­тель­ство. До­ка­жем, что точка Монжа сов­па­да­ет с точ­кой G, сим­мет­рич­ной цен­тру O опи­сан­ной окруж­но­сти от­но­си­тель­но цен­тра тя­же­сти S вер­шин A, B, C, D (S яв­ля­ет­ся общей се­ре­ди­ной двух от­рез­ков, со­еди­ня­ю­щих се­ре­ди­ны про­ти­во­по­лож­ных сто­рон, и от­рез­ка, со­еди­ня­ю­ще­го се­ре­ди­ны диа­го­на­лей четырёхуголь­ни­ка ABCD).

В самом деле, если M_A B и M_C D  — се­ре­ди­ны сто­рон AB и CD со­от­вет­ствен­но, то в четырёхуголь­ни­ке M_A B G M_C B O диа­го­на­ли точ­кой пе­ре­се­че­ния де­лят­ся по­по­лам, зна­чит, он - па­рал­ле­ло­грамм. Так как O M_A B \perp A B и O M_C D \perp C D, то M_C D G \perp A B и M_A B G \perp C D, то есть два пер­пен­ди­ку­ля­ра из усло­вия про­хо­дят через G. Ана­ло­гич­но через G про­хо­дят осталь­ные че­ты­ре пер­пен­ди­ку­ля­ра. (Слу­чаи, когда O и S сов­па­да­ют, или какие-то из ука­зан­ных па­рал­ле­ло­грам­мов вы­рож­да­ют­ся в от­рез­ки, оче­вид­ны.)

Пе­рейдём к ре­ше­нию за­да­чи. Если в четырёхуголь­ни­ке A B C D есть пара па­рал­лель­ных сто­рон, то утвер­жде­ние оче­вид­но, так как в силу сим­мет­рии две из пря­мых будут сре­дин­ны­ми пер­пен­ди­ку­ля­ра­ми к этим па­рал­лель­ным сто­ро­нам, то есть сов­па­дут, а тре­тья пря­мая будет им пер­пен­ди­ку­ляр­на. По­это­му далее счи­та­ем, что па­рал­лель­ных сто­рон нет. Пусть \Omega  — опи­сан­ная окруж­ность четырёхуголь­ни­ка ABCD, \Omega_A B  — окруж­ность, по­стро­ен­ная на от­рез­ке AB как на диа­мет­ре, и т. д., M_A B  — се­ре­ди­на AB, и т. д., K  — точка пе­ре­се­че­ния пря­мых AB и C D. Тогда K  — ра­ди­каль­ный центр окруж­но­стей \Omega_A B, \Omega_C D и \Omega. Ра­ди­каль­ная ось X_1 Y_1 окруж­но­стей \Omega_A B и \Omega_C D пер­пен­ди­ку­ляр­на их линии цен­тров, то есть со­дер­жит вы­со­ту тре­уголь­ни­ка M_A B K M_C D . Зна­чит, X_1 Y_1 про­хо­дит через точку пе­ре­се­че­ния высот этого тре­уголь­ни­ка  — точку Монжа G. Ана­ло­гич­но через эту точку про­хо­дят пря­мые X_2 Y_2 и X_3 Y_3.