Квант

46

Метод
вспомогательного
элемента
И. А. Кушинр

Решение большой группы задач по геометрии obлегается введением дополнительных элементов, непосредственно не заданных в условия задачи. Эти элементы могут быть длинами, площадями, объемами, углами. С их помощью составляется уравнение, где неизвестным будет искомый элемент или элемент, с помощью которого легко найтиется искомый. Иногда с помощью этого элемента составляется не уравнение, а соответствие, требуемое условением задачи.

Вспомогательный линейный элемент
В планиметрических задачах линейный элемент или отношение линейных элементов удобно ввести, если рассматриваемые фигуры подобыны. Тогда с помощью пропорций или вспомогательных геометрических построений составляется уравнение, в котором введенный элемент как член уравнения сокращается, а найти искомый не представляется большого труда.

Рассмотрим решение задачи, предложенной в Новосибирском государственном университете.

Задача 1 (НГУ, 1969). Через некоторую точку, взятую внутри треугольника, проведены три прямые, соответствующего параллельные сторонам треугольника. Эти прямые разделяют треугольник на шесть частей, из которых три — треугольники с площадями S1,S2,S3S_1, S_2, S_3. Найти площадь данного треугольника.

Приступая к решению, заменаем подобие треугольников с площадями S1,S2,S3S_1, S_2, S_3 (рис. 1) и треугольника ABC с площадью S. Кроме того, сумма длин сторон DQ, QE и FK маленьких треугольников равна длине стороны BC треугольника ABC. Используем эти стороны как вспомогательные элементы, получаем уравнение

S1S=DQBC,S2S=QEBC,S3S=FKBC.\frac{\sqrt{S_1}}{\sqrt{S}} = \frac{DQ}{BC}, \frac{\sqrt{S_2}}{\sqrt{S}} = \frac{QE}{BC}, \frac{\sqrt{S_3}}{\sqrt{S}} = \frac{FK}{BC}.

Сложим их:

S1+S2+S3S=DQ+QE+FKBC=1.\frac{\sqrt{S_1} + \sqrt{S_2} + \sqrt{S_3}}{\sqrt{S}} = \frac{DQ + QE + FK}{BC} = 1.

Итак, S=(S1+S2+S3)2S = \left( \sqrt{S_1} + \sqrt{S_2} + \sqrt{S_3} \right)^2.

Вспомогательный отрезок рекомендуется вводить, если в условия задачи не даны линейные элементы и требуется найти зависимость между углами.

47

Задание 2 (МГУ, физак, 1967).
Найти косинус угла при основании равноведренного треугольника, зная, что точка пересечения его высот лежит на вписанной в треугольник окружности.

По условияю ortоцентр HH треугольника ABCABC (AB=ACAB = AC) должен находиться внутри треугольника, поэтому ∠A<90∘\angle A < 90^\circ (рис. 2). Введем вспомогательный элемент aa — длину отрезка BDBD, обозначим ∠ABC\angle ABC через xx, центр вписанной окружности — через OO. Тогда

∠HCD=π2−x,HD=atg(π2−x)=actgx=2OD,OD=atgx2,\angle HCD = \frac{\pi}{2} - x, HD = a \mathrm{tg} \left( \frac{\pi}{2} - x \right) = a \mathrm{ctg} x = 2OD, OD = a \mathrm{tg} \frac{x}{2},

откуда

ctgx=2tgx2,tg2x2=15,\mathrm{ctg} x = 2 \mathrm{tg} \frac{x}{2}, \mathrm{tg}^2 \frac{x}{2} = \frac{1}{5},

cos⁡x=23.\cos x = \frac{2}{3}.

Особенно больше значение имеет введение вспомогательного элемента для нахождения отношений различных геометрических величины.

Задание 3 (МАН, 1968). Большое основание правильной усеченной четырехугольной парамиды образуется с боковой граничью угол α\alpha, а с плоскостью, проходящей через промиоволежащие стороны верхнего и нижнего основании, — угол β\beta. Найти относение площадей оснований.

Введем вспомогательный элемент aa — длину стороны большого основания парамиды (рис. 3). Площадь этого основания будет a2a^2. Длину стороны верхнего основания можно выразить через aa, α\alpha и β\beta. Расмотрим вспомогательную трапецию EE1F1FEE_1F_1F, получающегося в сечении парамиды плоскостью, перpendикулярной основанием и проходящей через середины сторона ABAB и CDCD. Введем еще вспомогательные отрезки E1H=h,E1F1=xE_1H = h, E_1F_1 = x. Тогда

HF=12(a+x),HF = \frac{1}{2} (a + x),

EH=12(a−x),h=HFtgβ=EH = \frac{1}{2} (a - x), h = HF \mathrm{tg} \beta =

Рис. 2.

=12(a+x)tgβ=EHtgα== \frac{1}{2} (a + x) \mathrm{tg} \beta = EH \mathrm{tg} \alpha =

=12(a−x)tgα.= \frac{1}{2} (a - x) \mathrm{tg} \alpha.

Получаем уравнение (a+x)tgβ=(a−x)tgα(a + x) \mathrm{tg} \beta = (a - x) \mathrm{tg} \alpha, откуда

x=asin⁡(α−β)sin⁡(α+β),x = \frac{a \sin (\alpha - \beta)}{\sin (\alpha + \beta)},

sS=x2a2=sin⁡2(α−β)sin⁡2(α+β).\frac{s}{S} = \frac{x^2}{a^2} = \frac{\sin^2 (\alpha - \beta)}{\sin^2 (\alpha + \beta)}.

Вспомогательный элемент — площадь или объем

Введение площади и объема в качестве вспомогательного элемента аналогично введение линейного элемента. Сравнивая площади и объемы отдельных частей фигуры, можно получить или уравнение относительной неизвестных задачи, или необходимое соответствие. Лучше нахождение те площади и объемы, сумма (разность) которых дает площадь заданной фигуры, а также относение площадей

48

тех фигур, у которых линейные элементы — либо искомые, либо являются компонентами необходимого соответствия.

Задача 4 (МГУ, мехмат, 1960). Через цепир правильно треугольника проведена прямая, параллельная основанию. На этой прямой внутренний треугольника взята произвольная точка M. Доказать, что расстояние от точки M до основания треугольника есть среднее арифметическое расстояний от точки M до боковых сторон треугольника.

Пусть h1,h2,h3h_1, h_2, h_3 — расстояния от точки M до сторона треугольника BC, AB, AC соответственно (рис. 4). Ясно, что S△AMB+S△CMB+S△AMC=S△ABCS_{\triangle AMB} + S_{\triangle CMB} + S_{\triangle AMC} = S_{\triangle ABC}, или ah1+ah2+ah3=ahah_1 + ah_2 + ah_3 = ah, где aa — сторона треугольника ABC, hh — его высота. Итак, h=h1+h2+h3h = h_1 + h_2 + h_3, но h1=h3h_1 = \frac{h}{3}, поэтому h2+h3=h−h1=23h=2h1h_2 + h_3 = h - h_1 = \frac{2}{3}h = 2h_1, h1=h2+h32h_1 = \frac{h_2 + h_3}{2}.

Задача 5. Дан четырехугольник ABCD, описанный около кругла. Доказать, что квадратный расстояний от цепира окружности до промивоположных вершин относится, как произведенная сторон, сходящая в эмix вершинах.

Обозначения приведены на рисунке 5. Требуется доказать, что x2y2=adbc\frac{x^2}{y^2} = \frac{ad}{bc}.

Высоты треугольников AOD и BOC равны, поэтому

S△AODS△BOC=db.\frac{S_{\triangle AOD}}{S_{\triangle BOC}} = \frac{d}{b}.

С другой стороны,

S△AODS△BOC=xvsin⁡φ5yzsin⁡φ6.\frac{S_{\triangle AOD}}{S_{\triangle BOC}} = \frac{xv \sin \varphi_5}{yz \sin \varphi_6}.

Докажем, что sin⁡φ5=sin⁡φ6\sin \varphi_5 = \sin \varphi_6. Для этого заметим, что φ1+φ2+φ3+φ4=π\varphi_1 + \varphi_2 + \varphi_3 + \varphi_4 = \pi (это положина суммы всех углов четырехугольника), φ1+φ2+φ5=π\varphi_1 + \varphi_2 + \varphi_5 = \pi, φ4+φ3+φ6=π\varphi_4 + \varphi_3 + \varphi_6 = \pi. Отсюда следует, что φ5+φ6=π\varphi_5 + \varphi_6 = \pi, sin⁡φ5=sin⁡φ6\sin \varphi_5 = \sin \varphi_6, и из формулы (2) получаем

S△AODS△BOC=xvyz.\frac{S_{\triangle AOD}}{S_{\triangle BOC}} = \frac{xv}{yz}.

Из соответствия (1) и (2’) имеем xvgz=db\frac{xv}{gz} = \frac{d}{b}, аналогично xzyv=ac\frac{xz}{yv} = \frac{a}{c}. Переменная последнее два равенства, получим

x2y2=adbc,\frac{x^2}{y^2} = \frac{ad}{bc},

а разделив первое из них на второе, получим

v2z2=cdab.\frac{v^2}{z^2} = \frac{cd}{ab}.

Разберем задачу, где вспомогательным элементом будет объем.

*) Дополнительный материал о методе плошадей можно прочитать в журнале «Квант», 1971, № 12.

50

Рис. 8.

гонометрических функций, то воводится вспомогательный угол. Затем с помощью теоремы синусов или косинусов решением треугольника нахождения компоненты для записи неокторого условия в виде уравнения.

Задание 8 (МГУ, мехмат, 1962). Через цепир правильного треугольника в плоскости эмодрета треугольника проведена произвольная прямая. Доказать, что сумма квадратов расстояний от вершин треугольника до эмой прямой не зависит от выбора прямой.

Пусть точка OO — центр треугольника ABCABC (рис. 8). Точки D,E,FD, E, F — соответственно проекции вершин A,B,CA, B, C на прямую ll, RR — радиус окружности, описанной около треугольника ABCABC. Введем вспомогательный угол φ\varphi, обозначив им ⇒BOE\Rightarrow BOE. Тогда

⇒AOD=⇒AOB−⇒BOD=φ−π3.\Rightarrow AOD = \Rightarrow AOB - \Rightarrow BOD = \varphi - \frac{\pi}{3}.

(проверьте самостояльно, что сумма в квадратных скобках равна 32\frac{3}{2}).

Задание 9 (МФТИ, 1967). В основании прямого осиования ABCD проведена плоскость, пересекающая верхое основание A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1. В трехгранные углы BB и D1D_1 вписаны шарики, касающие эмой плоскости и имеющие радиусы r=a5r = \frac{a}{5}, R=a4R = \frac{a}{4}. Наимену высоту параллелепеда.

Диагональное сечение DBB1D1DBB_1D_1 параллелепипеда (рис. 9) пройдет через центры шаров OO и O1O_1. Пусть LL и L1L_1 — точки касания шаров и оснований параллелепипеда, NN и N1N_1 — точки касания шаров с данной плоскостью (мы пока не знаем, расположены ли они в параллелепипеда)

Рис. 9.

51

или внутри него, но нам это и не попадобится), OF и O1E1O_1E_1 – бискетрисы углов NOL и N1O1L1N_1O_1L_1 (точка FF-середина BD), EE1EE_1 – высота параллелепида, OL=ON=rOL = ON = r, O1L1=O1N1=RO_1L_1 = O_1N_1 = R. Положим ⇒BFE1=2α\Rightarrow BFE_1 = 2\alpha, L1E1=xL_1E_1 = x, E1B1=yE_1B_1 = y, FE=zFE = z. Тогда

h=ztg2α,z=FB−BE=a22−y,y=a2−x−D1L1=a2−x−R2иz=x+R2−a22=x−a24.h = z \mathrm{tg} 2\alpha, \quad z = FB - BE = \frac{a \sqrt{2}}{2} - y, \quad y = a \sqrt{2} - x - D_1L_1 = a \sqrt{2} - x - R \sqrt{2} \quad \text{и} \quad z = x + R \sqrt{2} - \frac{a \sqrt{2}}{2} = x - \frac{a \sqrt{2}}{4}.

Из подобия треугольников O1L1E1O_1L_1E_1 и OLFOLF следует, что xR=FLr\frac{x}{R} = \frac{FL}{r}, FL=FB−LB=a22−r2=3a210;x=38a2,z=a28FL = FB - LB = \frac{a \sqrt{2}}{2} - r \sqrt{2} = \frac{3a \sqrt{2}}{10}; \quad x = \frac{3}{8} a \sqrt{2}, \quad z = \frac{a \sqrt{2}}{8}.

Из треугольника OLFOLF находится tgα=rFL=23\mathrm{tg} \alpha = \frac{r}{FL} = \frac{\sqrt{2}}{3}, откуда h=314ah = \frac{3}{14} a.

Задача 10 (МГУ, мехмат, 1963). Боковое ребро правильной треугольной параллелепиды равно bb, угол между боковым границами равен φ\varphi. Найти сторону основания.

Опустим из точек BB и CC перпендикуляры на боковое ребро AS (рис. 10). Легко убедиться, что основанием обихих этих перпендикуляров является одна точка DD (доказатель), а потому ⋆BDC=φ\star BDC = \varphi.

Введем вспомогательный угол ⋆BAS=α\star BAS = \alpha и проведем апофему SK

Рис. 10.

пирамиды. Ясно, что AB=2AK=2bcos⁡αAB = 2AK = 2b \cos \alpha. Следовательно, для решения задачи достаточно вычислить cos⁡α\cos \alpha. Так как α<90∘\alpha < 90^\circ, то из треугольника BADBAD имеем α=arcsin⁡BDAB\alpha = \arcsin \frac{BD}{AB}.

В свою очередь длина отрезка BDBD определяется из треугольника BLDBLD (DL – высота треугольника BDCBDC):

BD=BLsin⁡φ2=AB2sin⁡φ2.BD = \frac{BL}{\sin \frac{\varphi}{2}} = \frac{AB}{2 \sin \frac{\varphi}{2}}.

α=arcsin⁡12sin⁡φ2\alpha = \arcsin \frac{1}{2 \sin \frac{\varphi}{2}}, откуда

AB=b4−1sin⁡2φ2.AB = b \sqrt{4 - \frac{1}{\sin^2 \frac{\varphi}{2}}}.

У права неяня

1 (МФТИ, 1969). В треугольник ABCABC вписана окружность, касающаяся стороны ABAB в точке DD и стороны BCBC в точке EE. Найти углы треугольника, если

BDAD=12,BECE=13.\frac{BD}{AD} = \frac{1}{2}, \frac{BE}{CE} = \frac{1}{3}.

2 (МФТИ, 1969). В правильном tetrahedре ABCDABCD отрезок MNMN соединяет середину ребра ACAC с центром грани BDCBDC, а точка EE лежит на середине ребра ABAB. Найти угол между отрезками MNMN и DEDE.

3 (МИФИ, 1971). В трапеции, основания которой равны aa и bb, через точку пересечения диагоналей проведена прямая, параллельная основанием. Найти длину отрезка этой прямой, отсекаемого боковым сторонами трапеции.

4 (МИЭТ, 1970). Дан треугольник ABCABC, на стороне ACAC взята точка EE так, что AE:EC=aAE : EC = a, на стороне ABAB взята точка DD так, что AD:DB=bAD : DB = b. Проведены отрезки CDCD и BEBE. Найти отношение площади получившего четЫрегульника к площади данного треугольника.

5 (МГУ, физик, 1969). В шар вписана парамида, боковые ребра которой равны cc. Основание ее — прямой угольник, стороны которого стягивают угги α\alpha и β\beta радиан в сечения шара плоскостями боковых граней. Определить радиус описанного шара.

6 (МГУ, мехмат, 1961). На окружности радиуса RR даны две точки AA и BB, расстояние между которых равно ll. Какое наиболее значение может принять сумма AC2+BC2AC^2 + BC^2 если точка CC также лежит на этой окружности?

7 (НГУ, мехмат, 1969). Двугранный угол при боковом ребре правильной четырехугольной парамиды равен α\alpha, радиус вписанного шара равен RR. Найти полную поверхность парамиды.