28
ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ОКРУЖНОСТЬ
Решение многох геометрических задач начинается с проведения вспомогательных линей, которые помогают установить связь между данными и неизвестными элементами фигуры. Отзывать удачное вспомогательное построение часто бывают нелегко. Поэтому к каждой решенной задаче следует пристретиться и поставаться выяснить, почему те или иные вспомогательные линей приводят к целю. Нельзя ли найденный пример использовать при решении некоторых других задач?
На очередном заседании математического кружка рассмотрим один из интересных примеров решения геометрических задач, который состоит в том, что в чертеж вводится вспомогательная окружность.
Пример 1. В остругольном треугольнике проведены высоты AP, BQ и CR. Доказать, что ).
Решен и е. Пусть H — точка пересечения высот треугольника ABC (рис. 1). Так как и прямые, то около четырехугольника BPHR можно описать окружность, приняв BH за диаметр. Построив ее, заменаем, что (как вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дуг).
*) См. «Квант» № 1, 1970, стр. 59.
Рис. 1.
Таким образом, построение вспомогательной окружности позволяет использовать теорему о вписанных углах и благодаря этому установить связь между указанным в задание углами.
Выясните, как изменится результат, если треугольника ABC тупой.
Решите самостояльно несколько аналогичных задач.
-
Из произвольной точки M ка-teга BC прямогоного треугольника ABC опущен на гипотенузу AB перпендикуляр MN. Доказать, что .
-
Доказать, что прямая, соединяющая вершину прямого угла прямогоного треугольника с центром квадрата, внешне построенного на гипотенузе, делит прямой угол треугольника пополам.
-
Из произвольной точки M внутри данного угла опущены перпендикуляр MP и MQ на стороны угла. Из вершины угла A опущен перпендикуляр AK’ на отрезок PQ. Доказать, что .
Пример 2. Доказать, что отрезок, соединяющий основания двух высот остругольного треугольника, отсекает от него треугольник, подобный данному.
29
Рис. 2.
Решен и е. Пусть и — высоты остроугольного треугольника (рис. 2). и прямы, поэтому окружность, построенная на стороне треугольника как на диаметре, пройдет через точки и . Далое, — , — , поэтому , и треугольники и подобны.
Эту задачу можно решить и без вспомогательных построений, если заметить, что треугольники и подобны, и записать пропорцию
Решите каждую из двух следующих задач обойти способами.
-
Из вершины параллелограмма проведены высоты и . Доказать, что треугольники и подобны.
-
Из основания высоты треугольника опущены на стороны и перpendикulares и . Доказать, что треугольник подобен треугольнику .
Иногда выгrodно описать окружность и около треугольника.
Пример 3. Доказать, что квадрат bicсектрисы треугольника равен разности между произведением заключащих ее сторон и произведением
отрезков третий стороны, на которые она делится bicсектрисой.
Решен и е. Около треугольника описем окружность и продолжим bicсектрису треугольника до встречи с окружностью в точке (рис. 3). Пусть , , , , , .
По условиям , кроме того, , как вписанные углы, опирающиеся на одну и ту жедуг. Следовательно, треугольники и подобны и справедливо равенство откуда . Хорды и пересекаются в точке . Поэтому выполняется равенство . Следовательно, .
Пример 4. Высота и медиана треугольника, проведенные из одной вершины внутри него, различны и образуют равные углы со сторонами, выходящими из той же вершины. Доказать, что треугольник прямогольный.
Решен и е. Пусть высота и медиана треугольника обязают со сторонами и равные углы (рис. 4). Опишем около треугольника окружность и продолжим медиану до встречи с окружностью в точке . Расмотрим треугольники и . Так как по условиям и ,
30
Рис. 4.
как вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дуг, то . Следовательно, — диаметр окружности.
Центр окружности лежит на диаметре и на перпендикуляре к стороне в ее середине . Так как медиана не является высотой, то прямые и имеют только одну общую точку , которая и является центром описанной окружности. Следовательно, — диаметр окружности и .
Используйте полученный результат для решения следующего двух задач.
- Определить углы треугольника, в котором
a) медиана и высота, проведенные из одной вершины, делят угол на три равные части;
b) медиана, биссектриса и высота, проведенные из одной вершины, делят угол при этой вершине на четыре равные части. - Построить треугольник, зная углы, которые образуют медиана, биссектриса и высота, выходящие из одной вершины.
Пример 5. Построить равностоящий треугольник так, чтобы вершины его лежали соответственно на трех данных параллельных прямых.
Рис. 5.
Известно несколько решений этой интересной задачи с использованием выражения вокруг точки, подобия и алгебраической метода. Весьма краткое решение получается с помощью построения вспомогательной окружности.
Решение. Пусть — исходный равностоящий треугольник, вершины которого лежат соответственно на параллельных прямых и (рис. 5). Окружность, описанная около него, пересекает прямую , кроме точки , еще в некоторой точке . Тогда на основании свойства вписанных углов имеем .
Отсюда вытекает следующее построение. Из произвольной точки прямой проведем лучи, образующие с прямой углы и . Пусть один из лучей пересечет прямую в точке и прямую в точке , а другой пересечет прямую в точке . Тогда отрезок будет сторона треугольника .
Отложим на прямой отрезок , равный отрезку , так, чтобы точки и лежали по одному сторону от прямой . Тогда точка — треугольница треугольника , так как треугольники и равны, откуда следует, что и .
Таким образом, прием построение
31
Рис. 6.
ния вспомогательной окружности целесообразно применять и при решении некоторых задач на построение.
Рассмотрим еще одну сложную задачу, при решении которого самое трудное — догадаться описать около квадратов окружности.
Пример 6. На сторонах AC и BC треугольника ABC вне его построены квадраты ACA₁A₂ и BCB₁B₂. Доказать, что прямые AB₁, A₁B и A₂B₂ пересекаются в одной точке, и определять углы между этих прямыми.
Решение. Если ∠ACB = 90°, то справедливо теоремы очевидна. Прямые AB₁ и A₁B перепределкиярны и каждая из них пересекает прямую A₂B₂ в точке C под углом 45° (рис. 6).
Если ∠ACB ≠ 90°, то окружности, описанные около квадратов, имеют кроome точки C еще одну общую точку C₁, которая как раз и оказывается точкой пересечения прямых AB₁, A₁B и A₂B₂ (рис. 7). Действительно, ∠A₂C₁C = 90°, как висанный, опирающийся на полуокружность. Аналогично ∠CC₁B₂ = 90°. Поэтому ∠A₂C₁C + ∠CC₁B₂ = 180°, т. е. лучи C₁A₂ и C₁B₂ составляют прямую.
Точно так же доказывается, что точка C₁ лежит на прямых AB₁ и A₁B.
Рассматривая полученные вписанные углы, находим, что прямые AB₁ и A₁B взамимо перепределкиярны и каждая из этих прямых обращает с прямой A₂B₂ угол 45°.
Рис. 7.
Следующая задача имеет много общего с предыдущей.
-
На сторонах AB, BC и CA произвольного треугольника ABC вне его построены равносторонние треугольники ABC₁, BCA₁ и CAB₁. Доказать, что прямые AA₁, BB₁, CC₁ пересекаются в одной точке и каждая из них образует с другой угол 60°.
-
Доказать, что если два противоположных угла четырехугольника тупые, то диагональ, соединяющая вершины этих углов, короче второй диагонали.
Приведем еще две задачи на максимум и минимум, для решения которых также целесообразно определенным образом построить вспомогательную окружность.
-
На одной стороне угла с вершиной в точке S данные точки A и B. Найти на другой стороне точки C, из которой отрезок AB виден под наиболее углом.
-
Из произвольной точки M, лежащей на стороне AB треугольника ABC (или на ее проджении), проведены перпендикуляры MP и MQ к сторонам AC и BC. При каком условия отрезок PQ будет наиболеешим?
Таким образом, разнообразные геометрические задачи решаются с помощью одного и того же приема. Построение вспомогательной окружности позволяет увеличить число теорем, которые можно пользоваться при решении задачи, и благодар岁时ому отыскивать зависимости между элементами фигуры.