При решении геометрических задач часто пользовется условием принадлежности точек прямой или плоскости. Применение векторов позволяет записать эти условия в простой и компактной форме. При этом в решении задачи зачастую оппадает необходимость в довольно хитрумных дополнительных построениях.
В этой заметке мы выведем условия принадлежности точек прямой и плоскости, и рассмотрим примеры их применения. Начнем с решения следующей задачи.
Задача 1 (Экономический факультет, МГУ, 1975). Дан треугольник ABC. На сторонах AB и BC взяты точки M и N соответственно; ∣AB∣=5∣AM∣, ∣BC∣=3∣BN∣. Отрезки AN и CM пересекаются в точке O. Найти отношение площадей треугольников AOC и ABC.
Заметим, что большинство абитурентов не сумели допуматься до дополнительного построения ME || AN и поэтому не решили эту задачу.
Рассмотрим другое решение, основанное на результате задачи 254 учебника «Геометрия 9». Сформулируем этот результат так:
Теорема 1. При любом выборе точки O равенство
OC=αOA+(1−α)OB
(1)
для некоторого числа α является необходимым и достаточно условным принадлежности точек A, B и C (A=B) одной прямой. При этом BC=αBA.
Рис. 1.
Рис. 2.
49
Рисунок 2 иллюстрирует теорему 1. Заметим, что значение коэффициента α определяет положение точки на прямой (AB). Если 0⩽α⩽1, то точка C находится между A и B; если α>1, то точка A находится между C и B и, наконец, если α<0, то точка B находится между A и C. Коэффициент α играет роль свободознайной координаты на прямой (AB): началом координат служебит точка B, а масштаб задается отрезком BA, так что точка A имеет координату единица.
Вернемся к задаче 1, обозначим BA=p и BC=q. Тогда BM=54p и BN=31q. Так как точка O принадлежит прямым AN и CM, то BO=α1BM+(1−α1)BC=α2BA+(1−α2)BN,
т. е. 54α1p+(1−α1)q=α2p+31(1−α2)q,
откуда {54α1=α2,1−α1=31(1−α2).
Решая полученную систему, находим α1=1110,α2=118. По теореме 1 CO=α1CM=1110CM,
откуда
Рис. 3.
Рис. 4.
50
=310. Обозначив BCD через ф, из треугольника ECF по теореме косинусов находим cosφ=101. Знача cosф, вычисляем по теореме косинусов диагонали ∣AC∣=45 и ∣BD∣=37.
Задача 3*). Дан треугольник ABC и точка M на стороне BC. Доказать, что ∣AM∣⋅∣BC∣≤∣AB∣⋅∣MC∣+∣AC∣⋅∣BM∣.
Решение (рис. 4). Имеем AM=αAB+(1−α)AC.
Так как α=∣BC∣∣MC∣, то 1−α=∣BC∣∣BM∣. Далее, AM=αAB+(1−α)AC≤αAB+(1−α)AC=∣BC∣∣MC∣⋅∣AB∣+∣BC∣∣BM∣⋅∣AC∣, откуда и следует утверждение задачи.
Теорема 1 допускает следующие обобщение на случай пространства.
Теорема 2. Пусть A,B и C попарно различиные точки, не лежащие на одной прямой. При любом выборе точки O равенство OD=αOA+βOB+(1−α−β)OCявляетсянеобходимымидостаточноусловиемпринадлежноститочкиA,B,CиDоднойплоскости.
Доказательство 1) Достаточность. Пусть (2) выполено. Находим OD−OC=α(OA−OC)+β(OB−OC), откуда CD=αCA+βCB. Таким образом, векторы CA,CB и CD компланарны и, следовательно, точки A,B,C и D принадлежат одной плоскости.
Необходимость. Если A,B,C и D принадлежат одной плоскости, то векторы CA,CB и CD компланарны. Так как точки A,B и C попарно различины и не лежат на одной прямой, то векторы CA и CB неколлинеарны.
*) Эта задача предложена И. Шарыгиным.
Рис. 5.
52
Вычесть объемы пирамид LAFN и DB1KM. Пусть V — объем призмы. Из предыдуших вычислений нам известны соответствия между высотами ∣LA1∣, ∣DB1∣, ∣LA∣ пирамид LA1EM, LAFN, DB1KM и высотой призмы, а также соответствия между площадями оснований. Это позволяет легко найти, что VLA1EM=83V, VLAFN=721V и VMKB1D=481V, откуда объем многогранника AEKB1DNAF равен 83V−721V−481V=14449V. Итак, секущая плоскость делит объем призмы в отношении 49:95.
Заметим, во-первых, что в нашем решении нигде не использовалось условие, что призма правильно. Вовторых, наш метод решения пригоден и в том случае, когда точки E и N не являются серединами ребер A1C1 и AB, тогда как решение с дополнительными построениями *) это обстоятельство существенно использовет (примая EP пересекает BB1 в точке D потому, что ∣A1E∣=∣EC1∣).
Внимательный читатель, наверное, заметил, сравнивая теоремы 1 и 2, что в теореме 1 коэффициент α было dado просто геометрическое источкование, тогда как геометрический смысл коэффициентов α и β в теореме 2 остается неясным. Мы воспользовались этот пробел в одном важном частном случае, оставляя обобщение читателю.
Теорема 3. Если в условиях теоремы 2 точка D лежит в треугольнике ABC, то из равенства OD=αOA+βOB+(1−α−β)OCследует ⎩⎨⎧α=SBDC:SABC,β=SADC:SABC,1−α−β=SADB:SABC.
*) Сравните решение этой задачи с приведенным в книге Г. В. Дорофеева, М. К. Потапова, Н. Х. Розова «Пособие по математике для построения в вызы里», Москва, 1976, раздел 3, § 6, задача 7 (с. 514).
53
Рис. 8.
Доказательство (рис. 8). Как следует из доказательства теоремы 2 CD=αCA+βCB. Положим CK=αCA, CL=βCB. Из рисунка 8 видно, что SADC:SABC=β и SBDC:SABC=α. Из этих равенств легко вытекает, что SADB:SABC=1−α−β.
Задание и
(Геофак, МГУ, 1966). Точка K делит медиану AD треугольника ABC в отношении 3:1, считая от вершины. В каком отношении пряма BK делит плоскь треугольника ABC?
(Геофак, МГУ, 1974). Дана правильная четырехугольная пряма PABCD с вершиной P. На ребрах PA и PC взяты точки K и M соответствно, причем ∣AK∣:∣KP∣=1:3, ∣CM∣=∣PM∣. Найти отношение, в котором делится ребро PB плоскостью, проведенной через точки D, K и M.
(Химфак, МГУ, 1970). Плоскость проходит через вершину A основания треугольной прямы SABC, делит пополам медину SK треугольника SAB, а медину SL треугольника SAC пересекает в точке D такой, что ∣SD∣=21∣DL∣. В каком отношении эта плоскость делит объем прямы?
Поправка. В условия задачи М483, описывающий в задачи «Кванта» («Квант», 1978, № 1), допущена опечатка. Ниже мы помещаем правильное условие этой задачи. Срок присылаки ее решения продлевается до 1 мая 1978 года.
(Геофак, МГУ, 1976). В параллелогамме ABCD с диагоналями, равными ∣AC∣=6 и ∣BD∣=24, проведен отрезок EF, соединяющий точку E диагонали AC с точкой F стороны BC. Точки E и F выбраны таким образом, что ∣BF∣∣FC∣=21,∣EF∣∣EA∣=31. Известно, что точка M пересечения диагонали BD с отрезком EF делит его в отношении ∣MF∣∣EM∣=21. Найти стороны параллелогамма.
Дан треугольник ABC. На стороне AB взята точка D, а на стороне BC — точки E и F так, что ∣AD∣:∣DB∣=3:2,∣BE∣:∣EC∣=1:3 и ∣BF∣:∣FC∣=4:1. В каком отношении пряма (AE) делит отрезок DF?
(Мехмат, МГУ, 1964). Дан куб ABCDA1B1C1D1, где AA1,BB1,CC1,DD1 — боковые ребра. В каком отношении делит объем куба плоскость, проходящая через вершину A, середину ребра BC и центр грани DCC1D1?
(Мехмат, МГУ, 1965). Дана правильная четырехугольная пряма SABCD с вершиной S. Через середины ребер AB,AD и CS проведена плоскость. В каком относении эта плоскость делит объем прямы?
Внутри треугольника ABC взята точка O. Прямы (AO),(BO) и (CO) пересекают стороны BC, CA и AB соответственно в точках P, Q и R. Доказать, что
∣RB∣∣AR∣⋅∣PC∣∣BP∣⋅∣QA∣∣CQ∣=1.
Точки P и Q делят стороны BC и CA треугольника ABC в данных отношениях:
∣PC∣∣BP∣=a,∣QA∣∣CQ∣=b.
Пусть O — точка пересечения прямых AP и BQ. Найти относение плоскии четырехугольника OPCQ к плоскии треугольника ABC.
Пусть OABC — треугольная пряма с вершиной O, а M — точка внутри треугольника ABC. Тогда
∣OM∣⋅SABC≤∣OA∣⋅SMBC+∣OB∣⋅SMAC+∣OC∣⋅SMAB.
М483. а) Докажите, что относение квадрата радиуса вписанной окружности прямогоного треугольника к сумме квадратов длин медиан, проведенных из острых углов, не превыходит 1/20.
Какое наиболее значение может принимать это отношение?