35
Об экстремальных мочках
Ж.Б.Пинковский
Экстремальная точка — это точка, для которой неокоторая функция достигает наиболее или наиболее значения. Легко доказать, что точка пересечения медиан треугольника обладает следующим свойством: для нее сумма квадратов расстояний до вершин треугольника минимальная. В этой статье мы изложим в полне элементарное доказательство обобщения этого факта.
Пусть на плоскости данных n точек. Введем на плоскости декартову систему координат с осями Ox, Oy и обозначим эти точки так: A1(x1,y1), A2(x2,y2), …, An(xn,yn) (рис. 1). Возьмем любую точку M(x,y) на плоскости. Квадрат расстояния от точки M до точки Ai легко найти по теореме Пифагора (рис. 2): di2=(x−xi)2+(y−yi)2. Сумма квадратов расстояний от M до точки A1, A2, …, An выглядит так:
D=d12+d22+⋯+dn2=(x−x1)2+(y−y1)2+(x−x2)2+(y−y2)2+⋯+(x−xn)2+(y−yn)2.
Раскроем скобки и представим D в виде суммы многочленов от x и y:
D=nx2−2x(x1+x2+⋯+xn)+(x12+x22+⋯+xn2)+ny2−2y(y1+y2+⋯+yn)+(y12+y22+⋯+yn2).
Получалась сумма двух многочленов, один зависит только от x:
P(x)=nx2−2x(x1+x2+⋯+xn)+(x12+x22+⋯+xn2),
второй зависит только y:
Q(y)=ny2−2y(y1+y2+⋯+yn)+(y12+y22+⋯+yn2)
и D=P(x)+Q(y). Заметаем, что x и y независными, поэтому D достигает наиболее значения при таком x, при котором P(x) наименьшее, и при таком y, при котором Q(y) наименьшее. Но P(x) и Q(y) — это многочлены второго порядка (с несколько длинно записанными коэффициентами). Графиком функции P(x) будет парабола (рис. 3), ветви которой направлены вверх (n>0), наименьшее значение u=P(x) достигается при x, равном абсциссе вершины парабола. Отсюда легко найти значение x, при котором P(x) минимальное: x=nx1+x2+⋯+xn.
Аналогично находится координата y (из Q(y)): y=ny1+y2+⋯+yn.
Представляем читателю решить следующие задачи.
- Доказать, что координаты точки пересечения медиан треугольника с вершинами A1(x1,y1),A2(x2,y2),A3(x3,y3) таковы:
x=3x1+x2+x3,y=3y1+y2+y3.
- Точкой Торричелли называется точка треугольника, сумма расстояний от которой до вершины треугольника минимальная. Доказать, что из точки Торричелли стороны треугольника видны под углами 120∘.