46
Рассмотрим произвольный треугольник ABC. Через A1B1C1 обозначим треугольник, вершинами которого является точки касания вписанной в ABC окружности с его сторонами (рис. 1). Аналогично, для треугольника A1B1C1 определяем треугольник A2B2C2 и т. д. Таким образом, получим последовательность вписанных друг в друга треугольников
ABC,A1B1C1,A2B2C2,…
(1)
Другую последовательность треугольников определяем следующим образом: через A(1)B(1)C(1) обозначим треугольник, вершинами которого является точки пересечения биссектрис треугольника ABC с описанной окружностью. Аналогично для треугольника A(1)B(1)C(1) определяем треугольник A(2)B(2)C(2) и т. д. Таким образом, получим последовательность треугольников
ABC,A(1)B(1)C(1),A(2)B(2)C(2),…
(2)
В этой заметке мы изучим некоторые свойства последовательностей (1) и (2). Многие наши утверждения мы
Рис. 1.
не доказываем. Надеемся, что вы сделаете это самостояльно.
- Легко выразить углы треугольника A1B1C1 через углы исходного треугольника. Например, A^1=90∘−21A^. Аналогично, A^2=90∘−21A^1 и вообще A^n=90∘−21A^n−1.
Иными словами, последовательность углов A,A1,A2,…,An,…, обрабатует арифметик-геометрический прогрессию. О таких прогрессиях рассказано в статье Я. Н. Суконики в «Кванте» № 1 за этот год. Использову результат этой статьи, получим следующее выражение:
A^n=60∘+(−21)n(A^−60∘).
(3)
Углы треугольника A(1)B(1)C(1) равны соответствующим углам треугольника A1B1C1 (проверьте!). Значит, последовательности (1) и (2) — последовательности подобных треугольников.
Из формулы (3) следует, что если A=60∘, то и все A^n=60∘, а limn→∞A^n=60∘. Аналогично limB^n→60∘B^n=60∘ и то же самое верно для углов A^(n),B^(n),C^(n).
- Пусть pn,SnRn,rn соответственно полуперimetр, площадь, радиус описанной и вписанной окружностей для треугольника AnBnCn. Аналогично определяются величины p(n),S(n),R(n),r(n) для треугольника
47
A(n)B(n)C(n) и p0,S0,R0,r0 для исходного треугольника ABC. Очевидно, что R(n)=R0,Rn=rn−1.
Докажем, что
Sn=21Rn−1RnSn−1.(4)
Достаточно доказать, что
S1=21⋅R0r0S0.(4’)
Доказательство. Легко видеть (см. рис. 1), что
SA1OB1=21r02sinB1OA1=21r02sinC^,
SB1OC1=21r02sinA^,
SC1OA1=21r02sinB^.
Позотому S1=21r02(sinA^+sinB^+sinC^). Но по теореме синусов AB=2R0sinC^,BC=2R0sinA^,CA=2R0sinB. Следовательно, sinA^+sinB^+sinC^=p0/R0. Таким образом,
S1=21r02⋅R0p0=
=21⋅R0r0r0p0=21R0r0S0.
- Докажем, что последовательность S0,S(1),S(2),…,S(n) является возрастной.
Так как
S0=2R02sinA^sinB^sinC^,
S(1)=2R02cos2A^cos2B^cos2C^∗),
то неравенство S(1)≥S0 эквивалентно неравенству
sin2Asin2B^sin2C^≤81.(5)
Докажем неравенство (5). Используя то, что
C^=180∘−(A^+B^),
преобразуем (5) так:
cosA^+cosB^−cos(A^+B^)≤23
или
2cos2A^+B^cos2A^−B^−2cos22A^+B^−
−21≤0,
−2(cos2A^+B^−21cos2A^−B^)2−
−21(1−cos22A^−B^)≤0.(5’)
Посленее неравенство очевидно. Из (5’) следует, что равенство в (5) имеет место только в том случае, когда все углы треугольника равны 60∘. Так как треугольники A1B1C1 и A(1)B(1)C(1) подобны и коэффициент подобия равен r0R0, то
S(1)=21r0R0S0(6)
(см. формулу 4’). Но поскольку S(1)≥S0, от сюда следует известное неравенство R0≥2r0.
Из того, что последовательность S0,S(1),S(2),…,S(n) является возрастной,
Из того, что последовательность S0,S(1),S(2),…,S(n) является возрастной,
- Можно доказать, что для последовательности полуперimetров p0,p1,p2,… справедливо неравенство
pn≤21pn−1.(7)
Как и раньше, достаточно доказать (7) при n=1:
p1≤21p0.(7’)