Квант

34

М. Крайзман

Заменим фигуру

Общензвестно, что метод замены переменной широко применяется в алгебре. Не менее эффективно «замена» может быть применена в геометрих. Существуют этого приема решения геометрических задач состоит в следующем: фигура, о которой идет речь в условиях задачи, так заменяется фигурой с той же искомой величины, чтобы найти эту величины было легче.

В первых двух задах решить подdet о простейшей замене — замене одного отрезка другим.

Задание 1. Из точки C, взятоый вне узла AOB, равного 60°, опущены переменники CD, CM и CN соответствующего на стороны OA, OB и на биссектору ON данное узла. Определить |ON|, если |CM|=d₁ и |CD|=d₂.

Решение. Пусть E и P — точки пересечения (CN) с (OB) и (OA) (рис. 1). Образовавшийся треугольник OEP, оченьстоитронный. Анализ рисунка приводит к идее замены отрезка ON конгруэнтным отрезком EF, где (EF)⊥(OP): длину отрезка EF легко увазать с данными длинами отрезков CD и CM.

Проведем [EK]⊥[CD] (см. рис.1);

тогда
|EF| = |KD| = |CD| — |CK| = = |CD| — |CM| = d₂ — d₁.
Мы предполагали здесь, что d₂>d₁. Случай d₁>d₂ показан на рисунке 2 и аналогичен случайю d₂>d₁. Окончательный ответ: |ON| = |d₁—d₂|.

Задание 2. В равноведренном треугольнике ABC (|AB|=|BC|) из вершины A проведен перпендикуляр AD к стороне BC. В треугольнике ABD и ACD вписаны полукруги так, что их диаметры лежат соответствующим на [BD] и [AD]. Найти отношение площадей этих полукругов, если величины узла B равна π/4.

Решение. Если учесть, что S1S2=(r1r2)2\frac{S_1}{S_2} = \left( \frac{r_1}{r_2} \right)^2, то искомая величина будет найдена, если удastore на нейто отношение радиусов полукругов; для этого заменим радиус O₁M (рис. 3) на конгруэнтный ему отрезок, являющийся гипотенузой прямогоугольного треугольника с известным острым углом. Из того, что B^=π4\widehat{B} = \frac{\pi}{4}, следует |AD|=|BD|, |MB|=|MO₁|=r₁. Учитывая, что |AD|=|AM| и |BA|=|BC|, получаем |MB|=|CD| — отрезок MB можно заменить отрезком CD. В прямойугольном треугольнике O₂CD

35

Рис. 4. Рис. 5. Рис. 6.

O2CD^=12ACD^=3π16;\widehat{O_2CD} = \frac{1}{2} \widehat{ACD} = \frac{3\pi}{16};
следовательно, S1S2=ctg23π16.\frac{S_1}{S_2} = \text{ctg}^2 \frac{3\pi}{16}.

В следующих трех задах мы будем заменять более сложную форму (треугольник, парамиду).

Задача 3. В данной треугольник вписать прямоугольник с диагональю наименьшей длины так, чтобы одна сторона треугольника (или ее продолжение) содержала две вершины, а две другие стороны — по одному вершине этого прямоугольника.

Решение е. Если бы в этой задаче шла речь не о произвольном треугольнике, а о прямоугольном, имеющем с данным прямоугольником общий прямой угол, то решение не вызвало бы никаких затруднений: искомым прямоугольником был бы тот, в котором диагональ перпендикулярна к гипотенузе треугольника (рис. 4). Попробуем заменить данный треугольник прямоугольным треугольником с вписанным прямоугольником конгрузным искомому.

Пусть B1ACB_1AC — прямоугольный (A^=90∘\hat{A} = 90^\circ) треугольник с тем же основанием ACAC, причем (B1B)∥(AC)(B_1B) \parallel (AC) (рис. 5). Тогда ∣M1N1∣=∣MN∣|M_1N_1| = |MN| (доказательное). В треугольник B1ACB_1AC вписем прямоугольник AM1N1K1AM_1N_1K_1 с наименьшей диагональю (рис. 5). Прямая M1N1M_1N_1 пересечет стороны BABA и BCBC соответственно в точках MM и NN. Проведем [MF]⊥[AC][MF] \perp [AC] и [NK]⊥[AC][NK] \perp [AC]. Прямой треугольник FMNKFMNK — искомый.

Задача 4. Доказать, что радиус окружностей, описанных округольников AHB,BHCAHB, BHC и AHCAHC,

еще HH — точка пересечения высом остроугольного треугольника ABCABC, равны между собой.

Решение е. Заметим один из этих треугольников (например, ΔBHC\Delta BHC) конструктивным ему треугольником и найдем радиус окружности, описанной вокруг треугольника.

1 способ. Через вершину BB проведем прямую, параллельную высоте CKCK, а через CC — прямую, параллельную высоте BMBM; пусть FF — точка пересечения этих прямых (рис. 6).

Четырехугольник BHCFBHCF — параллелограмм, поэтому ΔBFC≅ΔBHC\Delta BFC \cong \Delta BHC. Рассмотрим четырехугольник ABFCABFC:

([FB][CK][FC][BM])⇒(ABF^ACF^90∘).\begin{pmatrix} [FB] \\ [CK] \\ [FC] \\ [BM] \end{pmatrix} \Rightarrow \begin{pmatrix} \widehat{ABF} \\ \widehat{ACF} \\ 90^\circ \end{pmatrix}.

Следовательно, точки A,B,FA, B, F и CC лежат на одной окружности, поэтому R△ABC=R△BFCR_{\triangle ABC} = R_{\triangle BFC} (R△ABCR_{\triangle ABC} обозначает радиус окружности, описанной округольным ΔABC\Delta ABC).

(ΔBFC≅ΔBHC\Delta BFC \cong \Delta BHC) ⇒(R△BFC=R△BHC)\Rightarrow (R_{\triangle BFC} = R_{\triangle BHC}).

Далее, (R△ABC=R△BFCR△BFC=R△BHC)⇒(R△ABC=R△BHC).\begin{pmatrix} R_{\triangle ABC} = R_{\triangle BFC} \\ R_{\triangle BFC} = R_{\triangle BHC} \end{pmatrix} \Rightarrow (R_{\triangle ABC} = R_{\triangle BHC}).

Аналогично доказывается, что R△AHB=R△AHC=R△ABCR_{\triangle AHB} = R_{\triangle AHC} = R_{\triangle ABC}.

2 способ. Опишем округольный треугольник ABCABC окружность и продолжим его высоту APAP до пересечения с проведенной окружностью в точке EE (рис. 7). Заметим, что CBM^=PAC^\widehat{CBM} = \widehat{PAC} (каждый из этих углов дополняется угол ACBACB до 90∘90^\circ) и PAC^=CBE^\widehat{PAC} = \widehat{CBE}

36

(каждай из них измеряется половиной угловой величины дуги EC, на котором они опираются); следовательно, ∠CBE≅∠CBH\angle CBE \cong \angle CBH. Аналогично доказываем, что ∠BCE≅∠BCH\angle BCE \cong \angle BCH. Таким образом, △BEC≅△BHC\triangle BEC \cong \triangle BHC, следовательно, R△BEC=R△BHCR_{\triangle BEC} = R_{\triangle BHC}.

Точки A, B, C и E лежат на одной окружности, поэтому R△BEC=R△ABCR_{\triangle BEC} = R_{\triangle ABC}. Окончательно получаем R△BHC=R△ABCR_{\triangle BHC} = R_{\triangle ABC}.

Аналогично доказываем, что радиусы окружностей, описанных окло треугольников AHB и AHC, равны радиусу окружности, описанной окло треугольника ABC.

Задча 5*). Дан куб с основанием ABCD и A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1. Найти объем метраэдра AD1_1EF, где E — середина ребра DC и F — середина ребра BB, если ребро куба равно 1.

Решен и е. Проведем через точку D1_1 прямую l параллельно [AF] (рис. 8).

(l∥[AF][AF]⊂(AA1B1))⇒(l∥(AA1B1)).\begin{pmatrix} l & \| [AF] \\ [AF] \subset (AA_1B_1) \end{pmatrix} \Rightarrow (l \| (AA_1B_1)).

Так как D1∈(DD1C1)D_1 \in (DD_1C_1) и (DD1C1)∥(AA1B1)(DD_1C_1) \parallel (AA_1B_1), любая прямая (в частиности, прямая l), проведенная через точку D1_1 параллельно (AA1B1)(AA_1B_1), будет лежать в плоскости грани DD1C1C_1C_1C. Пусть l∩(DC)=Kl \cap (DC) = K. Из того, что, (D1K)∥[AF](D_1K) \parallel [AF] и [AF]⊂(AFE)[AF] \subset (AFE), получаем (D1K)∥(AFE)(D_1K) \parallel (AFE), и потому прямida D1_1AFE равновелика парамиде KAFE (у них общее основание —

*) Эта задача предлагалась в 1969 г. на вступительных экзаменах на физический факультет МГУ.

Рис. 7.

Рис. 8.

Рис. 9.

37

Учитывая AD→1C+CAD→1+ACD→1=180∘\overrightarrow{AD}_1C + \overrightarrow{CAD}_1 + \overrightarrow{ACD}_1 = 180^\circ (сумма углов треугольника), получим AB→1D1+AB→1C+CB→1D1=180∘\overrightarrow{AB}_1D_1 + \overrightarrow{AB}_1C + \overrightarrow{CB}_1D_1 = 180^\circ.

Задача 7. Доказать, что длина отрезка, соединяющего середины скрещивающихся ребер метраэдра с прямым трехгранным углом при вершине, равна радиусу сферы, описанной около данного метраэдра.

Решение. Дополнительmente tetraэдр ABCDABCD с прямыми плоскими углами при вершине AA до прямогоного параллелепипеда ABKCDLMNABKCDLMN (рис. 10). Сфера, описанная около данного параллелепипеда, будет также описанной около tetraэдра ABCDABCD. Из треугольника AKDAKD следует, что ∣PQ∣=12∣DK∣|PQ| = \frac{1}{2}|DK|. Так как диагональ DKDK параллелепипеда является диаметром описанной сферы, длина отрезка PQPQ равна радиусу этой сферы.

Задача 8. Длина ребер прямого параллелепипеда равны 1, 2 и 3. Определить расстояние между скрещивающимися диагоналями смежных боковых граней этого tetraэдра.

Решение. Вместо параллелепипеда ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 рассмотрим tetraэдр DB1C1CDB_1C_1C (рис. 11). Объем этого tetraэдра равен

V=13S△B1C1C⋅∣DC∣=13(12⋅1⋅3)⋅2=1.V = \frac{1}{3} S_{\triangle B_1C_1C} \cdot |DC| = \frac{1}{3} \left( \frac{1}{2} \cdot 1 \cdot 3 \right) \cdot 2 = 1.

Найдем теперь его объем, воспользуемся соответствием V=16×l1⋅l2⋅d⋅sin⁡φ∗V = \frac{1}{6} \times l_1 \cdot l_2 \cdot d \cdot \sin \varphi^*, где l1l_1 и l2l_2 – длины скрещивающихся ребер этого tetraэдра, dd и φ\varphi – расстояние и угол между ними. Получим

V=16∣B1C∣⋅∣DC1∣⋅d⋅sin⁡AB→1C=1650⋅d⋅sin⁡φ.V = \frac{1}{6} |B_1C| \cdot |DC_1| \cdot d \cdot \sin \overrightarrow{AB}_1C = \frac{1}{6} \sqrt{50} \cdot d \cdot \sin \varphi.

В трехгранном угле BACB1BACB_1 косинус плоского угла φ\varphi, лежащero против ребра B1BB_1B прямого двухгранного угла, равен произведению косинусов плоских углов, ограничивающих этот прямой двухгранный угол, т. е.

cos⁡AB→1C=cos⁡AB→1B⋅cos⁡BB→1C;\cos \overrightarrow{AB}_1C = \cos \overrightarrow{AB}_1B \cdot \cos \overrightarrow{BB}_1C;

из этого равенства получаем

cos⁡AB→1C=15⋅110=150;\cos \overrightarrow{AB}_1C = \frac{1}{\sqrt{5}} \cdot \frac{1}{\sqrt{10}} = \frac{1}{\sqrt{50}};

sin⁡AB→1C=sin⁡φ=750.\sin \overrightarrow{AB}_1C = \sin \varphi = \frac{7}{\sqrt{50}}.

Следовательно,

V=1650⋅d⋅750=76d.V = \frac{1}{6} \sqrt{50} \cdot d \cdot \frac{7}{\sqrt{50}} = \frac{7}{6} d.

Из равенств (1) и (2) следует 1=67d1 = \frac{6}{7} d.

Отсюда d=67d = \frac{6}{7}.

Приведем замену, при которой три боковых ребра заменяемого tetraэдра является медианами боковых граней заменяющего tetraэдра.

*) Эту формулу тоже можно доказать методом замены!