Квант

46

Простой ответ в «Сложной» задаче

В этой статье новь поднимается вопрос о том, как следует решать планимерические задачи – «алгебраические» или же «чисто геометрические»? *) Конечно же, было бы неразумно противопоставлять эти два метода, главная задача при подготовке к вступительным экзаменам — научиться их сочетать. Понски «чисто геометрического» решения целесообразны далеко не всегда — только если оно приходит в голову достаточно быстро. Мы лишь хотим предостеречь будущего абитриента от головоломных вычислений в сравнительно простой геометрической задаче, легко решающся с помощью «чисто геометрической» идеи. Задчи, рассматриваемые в этой статье, допускают разные, иногда очень громоздкие решения, хотя ответы всегда получаются простые. На их примерах можно легко убедиться, насоклько важно уметь «геометрические» мыслить и применять в обшем-то хорошо всем известные теоремы планимерии. Конечно, чтобы найти простое геометрическое решение, нужно проявить изобретательность. Умнение «решить задачу красно» — это искусство, овладеть которым можно, лишь постоянно развивая свое геометрическое мышление и intuцию. А для этого — решайте как можно больше задач, и помните, что понск решения — процесс творческой.

*) См. также статью С. В. Романова и И. Ф. Шары г. ина «Алгебраический метод решения геометрических задач», «Квант», 1975, № 11.

Начнем с таких двух задач.

Задача 1 (МАИ, 1973). В прямоеольном треугольнике один из острых углов равен α. На отрезкахzionенцы, образуемых основанием опущенной на нее высоты, как на диаметрах, построены получокружности, расположенные отzionенцы по одному сторону с данным треугольником. Наименование длины отрезков каметов, заключенных внутри этих получокружностей.

Первое решение. Пусть CABCAB — данный треугольник (угол AA — прямой), ADAD — его высота, точки EE и FF — точки пересечения получокружностей с катетами ACAC и ABAB (см. рис. 1). Очевидно, что (DE)⊥(AC)(DE) \perp (AC) и (DF)⊥(AB)(DF) \perp (AB). Позотому

{∣DF∣2=∣AF∣⋅∣FB∣,∣DE∣2=∣AE∣⋅∣EC∣.\begin{cases} |DF|^2 = |AF| \cdot |FB|, \\ |DE|^2 = |AE| \cdot |EC|. \end{cases}

Введем неизвестные: x=∣DF∣=∣AE∣x = |DF| = |AE| и y=∣AF∣=∣DE∣y = |AF| = |DE|.

Тогда, обозначив ∣AC∣=b|AC| = b и ∣AB∣=c|AB| = c, получим систему:

{x2=y(c−y),y2=x(b−x),\begin{cases} x^2 = y(c - y), \\ y^2 = x(b - x), \end{cases}

откуда

x=bc2b2+c2,y=b2cb2+c2.x = \frac{bc^2}{b^2 + c^2}, \quad y = \frac{b^2c}{b^2 + c^2}.

Но

∣FB∣=c−y=c3b2+c2,∣EC∣=b−x=b3b2+c2.|FB| = c - y = \frac{c^3}{b^2 + c^2}, \quad |EC| = b - x = \frac{b^3}{b^2 + c^2}.

47

Следовательно,

∣FB∣∣EC∣=c3b3.\frac{|FB|}{|EC|} = \frac{c^3}{b^3}.

Но cb=tgα\frac{c}{b} = \text{tg}\alpha, значит, ∣FB∣∣EC∣=tg3α\frac{|FB|}{|EC|} = \text{tg}^3\alpha.

Второе решение. Заметим, что

DCE^=DAF^=BDF^=x.\widehat{DCE} = \widehat{DAF} = \widehat{BDF} = x.

Позтому

∣FB∣∣EC∣=∣DF∣⋅tgα∣EC∣=(∣AF∣⋅tgα)⋅tgα∣EC∣=∣DE∣⋅tg2α∣EC∣=tg3α.\frac{|FB|}{|EC|} = \frac{|DF| \cdot \text{tg}\alpha}{|EC|} = \frac{(|AF| \cdot \text{tg}\alpha) \cdot \text{tg}\alpha}{|EC|} = \frac{|DE| \cdot \text{tg}^2\alpha}{|EC|} = \text{tg}^3\alpha.

Мы видим, что для получения ответа вовсе не нужно вводить никаких неизвестных и составлять алгебраические системы, — достаточно лишь заметить, что перечисленные три угла конгруэнтны.

Задача 2. Дан треугольник ABC. Проведена окружность, касающая стороны BC в основании проведенной к ней высотны AD длины h и проходящая через середину стороны AC длины b. Наимену диаметр этой окружности.

Первое решение. На рисунке 2 показано одно из возможных расположений: диаметр DF окружности меньше высоты, окружность пересекает сторону AC в двух точках K и E, из которых верхняя точка E является серединой, и не пересекает второй стороны треугольника.

Обозначим диаметр исключой окружности через x: ∣DF∣=x|DF| = x, а длину хорды KEKE — через y: ∣KE∣=y|KE| = y.

Рис. 2.

Приименя теоремы о касательной и секущей, а также о двух секуших, проведенных к окружности из одной точки (C и A соответственно), получаем

∣CD∣2=∣CK∣⋅∣CE∣,|CD|^2 = |CK| \cdot |CE|,

∣AF∣⋅∣AD∣=∣AE∣⋅∣AK∣.|AF| \cdot |AD| = |AE| \cdot |AK|.

Отсюда имеем

{b2−h2=b2(b2−y),h(h−x)=b2(b2+y).\begin{cases} b^2 - h^2 = \frac{b}{2} \left( \frac{b}{2} - y \right), \\ h(h - x) = \frac{b}{2} \left( \frac{b}{2} + y \right). \end{cases}

Решая эту систему относительно x, находим ∣DF∣=x=b22h|DF| = x = \frac{b^2}{2h}.

Однако это решение нельзя считать исчерпывающим — ведь остальные неразsobранными другие возможности (например, когда ∣DF∣>∣AD∣|DF| > |AD|, и вторая точка пересечения находится на продолжении стороны AC). Разбор каждого из этих случаев приводит к разным системам и, более того, требует использования разных теорем (в случае ∣DF∣>∣AD∣|DF| > |AD|) понадобится теорема о двух пересекающихся хордах).

Сейчас мы приведем другой, геометрическое решение этой задачи; убедитесь сами, что оно уже не зависит от того, как окружность пересекает стороны данной треугольника.

Второе решение. Соединним точку E с точками D и F. Поскольку DE — медиана, проведенная к гипотенузе прямого углового треугольника CAD, имеем: ∣DE∣=∣AE∣=b2|DE| = |AE| = \frac{b}{2}, и EDF^=EAD^\widehat{EDF} = \widehat{EAD} (углы при основании равноведренного треугольника). Следовательно, прямой угловые треугольники DEF и ADC подобны. Отсюда

∣DF∣∣AC∣=∣DE∣∣AD∣,\frac{|DF|}{|AC|} = \frac{|DE|}{|AD|},

или

∣DF∣=∣AC∣⋅∣DE∣∣AD∣,|DF| = \frac{|AC| \cdot |DE|}{|AD|},

то есть

∣DF∣=b22h.|DF| = \frac{b^2}{2h}.

48

Рис. 3.

Часто решение геометрических задач алгебраических методом приводит к сложным irrationalным уравнениям. Иногда благодаря дополнительным сообщением этого удается избежать. Вот две типичные задачи.

Задача 3 (ЛГУ, 1973). Определить высоту трапеции, если длины ее оснований равны 6 и 11, длина одной из боковых сторонравна 4, а сумма углов при нижнем основании равна π2\frac{\pi}{2}.

Первое решение. Проведем в трапеции ABCDABCD высоты BEBE и CFCF (рис. 3) и положим ∣BE∣=∣CF∣=x|BE| = |CF| = x. Будем считать, что ∣AB∣=4|AB| = 4. Из прямогольного треугольника AEBAEB находим ∣AE∣=16−x2|AE| = \sqrt{16-x^2}. Поэтому

∣FD∣=∣AD∣−(∣AE∣+∣EF∣)=(∣AD∣−∣BC∣)−∣AE∣=5−16−x2.|FD| = |AD| - (|AE| + |EF|) = (|AD| - |BC|) - |AE| = 5 - \sqrt{16-x^2}.

Поскольку сумма углов при основании ADAD равна π2\frac{\pi}{2}, прямогольные треугольники AEBAEB и CFCF подобны; следовательно,

∣BE∣∣FD∣=∣AE∣∣CF∣.\frac{|BE|}{|FD|} = \frac{|AE|}{|CF|}.

Получаем irrationalное уравнение

x5−16−x2=16−x2x,\frac{x}{5 - \sqrt{16-x^2}} = \frac{\sqrt{16-x^2}}{x},

из которого находим высоту трапеции:

x=∣BE∣=2,4.x = |BE| = 2,4.

Второе решение. Сделаем дополнительное построение: проведем (BK)(BK) параллельно (CD)(CD). Получим (см. рис. 3 и условия задачи) прямогольный треугольник ABKABK, из которого легко находит высота трапеции:

∣BE∣=∣AB∣⋅∣BK∣∣AK∣=∣AB∣⋅∣AK∣2−∣AB∣2∣AK∣=∣AB∣⋅(∣AD∣−∣BC∣)2−∣AB∣2∣AD∣−∣BC∣=4⋅(11−6)2−1611−6=2,4.|BE| = \frac{|AB| \cdot |BK|}{|AK|} = \frac{|AB| \cdot \sqrt{|AK|^2 - |AB|^2}}{|AK|} = \frac{|AB| \cdot \sqrt{(|AD| - |BC|)^2 - |AB|^2}}{|AD| - |BC|} = \frac{4 \cdot \sqrt{(11-6)^2 - 16}}{11-6} = 2,4.

Задача 4. На сторонах ADAD и CDCD квадрата ABCDABCD со стороны 3 взяты две точки MM и NN так, что длина ломаной MDNMDN равна квадрата. Прямые AMAM и BNBN пересекаются в точке EE. Найти длину отрезка MEME, если ∣NE∣=4|NE| = 4.

Первое решение. Обозначим длину отрезка DNDN (рис. 4) через xx. Тогда ∣DE∣=16−x2|DE| = \sqrt{16-x^2}. Из подобия треугольников NDENDE и BAEBAE имеем

∣DN∣∣AB∣=∣DE∣∣AE∣,\frac{|DN|}{|AB|} = \frac{|DE|}{|AE|},

то есть

x3=16−x23+16−x2.\frac{x}{3} = \frac{\sqrt{16-x^2}}{3 + \sqrt{16-x^2}}.

Это irrationalное уравнение свойится к таким уравнению четвертой степени

x4−6x3+2x2+96x−144=0.x^4 - 6x^3 + 2x^2 + 96x - 144 = 0.

49

Рис. 5.

Многочлен, получившийся в левой части, раскладывается в произведение двух квадратных треугольников: x2+2x−6x^2 + 2x - 6 и x2−8x+24x^2 - 8x + 24. Поэтому (x2+2x−6)(x2−8x+24)=0(x^2 + 2x - 6)(x^2 - 8x + 24) = 0.

Это уравнение имеет единственный положительный корень:

x=∣DN∣=7−1.x = |DN| = \sqrt{7} - 1.

Тепер мы легко находим

∣ME∣=∣MD∣+∣DE∣=3−∣DN∣+16−∣DN∣2=3−7+1+16−(7−1)2=4−7+(V7‾+1)2=5.|ME| = |MD| + |DE| = 3 - |DN| + \sqrt{16 - |DN|^2} = 3 - \sqrt{7} + 1 + \sqrt{16 - (\sqrt{7} - 1)^2} = 4 - \sqrt{7} + \sqrt{(V\overline{7} + 1)^2} = 5.

Простой ответ наводит на мысль, что существует другое, менее сложное решение. Вот оно.

Второе решение. Поскольку треугольники BCN и NDE подобны, то

∣BC∣∣CN∣=∣DE∣∣DN∣,\frac{|BC|}{|CN|} = \frac{|DE|}{|DN|},

или

33−∣DN∣=∣DE∣∣DN∣,\frac{3}{3 - |DN|} = \frac{|DE|}{|DN|},

то есть

3(∣DE∣−∣DN∣)−∣DN∣⋅∣DE∣=0.3(|DE| - |DN|) - |DN| \cdot |DE| = 0.

Прияв во внимание, что ∣MD∣=3−∣DN∣|MD| = 3 - |DN|, и ∣DN∣2+∣DE∣2=16|DN|^2 + |DE|^2 = 16, получим

∣ME∣=∣MD∣+∣DE∣=(3−∣DN∣)+∣DE∣=(3−∣DN∣+∣DE∣)2=9+16+2⋅0=5.|ME| = |MD| + |DE| = (3 - |DN|) + |DE| = \sqrt{(3 - |DN| + |DE|)^2} = \sqrt{9 + 16 + 2 \cdot 0} = 5.

Провив изобретательность, мы смогли обойтись без irrationalного уравнения, решать которое, согласно себе, было не так-то уж и принято!

Одним из самых распространенных среди абитриентов методов решения планиметрических задач является применение тригонометрики. Безусловно, это очень важный и полезный метод, — порой введение тригонометрических функций является естественным и оправданным путем к решению. Однако в каждом конкретном случае следует подумать, нет ли более простого, геометрического решения. Вот показательный пример.

Задача 5 (MГУ, факультет вычислительной математики и киберNETики, 1971). В треугольнике ABC сторона AC больше стороны AB, а угол при вершине A равен α. На стороне AC взята точка R, так что ∣AB∣=∣RC∣|AB| = |RC|. Пусть E — середина отрезка AR, D — середина стороны BC. Найти угол CED.

Первое решение (triгонометриское). Обозначим длины сторон треугольника ABC буквами a, b, c, величины его углов—буквами A, B, C соответственно, а величины искомого угла CED—буквой x.

Тогда (см. рис. 5):

CDE^=180∘−(C+x),\widehat{CDE} = 180^\circ - (C + x),

∣CD∣=a2,|CD| = \frac{a}{2},

∣CE∣=∣CR∣+∣RE∣=c+b−c2=b+c2.|CE| = |CR| + |RE| = c + \frac{b - c}{2} = \frac{b + c}{2}.

По теореме синусов нахождения треугольника CDE:

∣CE∣sin⁡CDE=∣CD∣sin⁡CED,\frac{|CE|}{\sin CDE} = \frac{|CD|}{\sin CED},

то есть

b+csin⁡(C+x)=asin⁡x;\frac{b + c}{\sin (C + x)} = \frac{a}{\sin x};

из треугольника ABC:

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C,\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C},

50

то есть
b+csin⁡B+sin⁡C=asin⁡A.\frac{b+c}{\sin B+\sin C} = \frac{a}{\sin A}.

Деля соответствие (1) на соответствие (2), получаем
sin⁡B+sin⁡Csin⁡(C+x)=sin⁡Asin⁡x,\frac{\sin B + \sin C}{\sin(C+x)} = \frac{\sin A}{\sin x},
или, поскольку B=180∘−(A+C)B = 180^\circ - (A+C),
sin⁡(A+C)+sin⁡Csin⁡A=sin⁡(C+x)sin⁡x,\frac{\sin(A+C) + \sin C}{\sin A} = \frac{\sin(C+x)}{\sin x},

то есть
2sin⁡(A2+C)cos⁡A22sin⁡A2cos⁡A2=sin⁡(C+x)sin⁡x,\frac{2\sin\left(\frac{A}{2} + C\right)\cos\frac{A}{2}}{2\sin\frac{A}{2}\cos\frac{A}{2}} = \frac{\sin(C+x)}{\sin x},
откуда
x=A2=α2.x = \frac{A}{2} = \frac{\alpha}{2}.

Второе решение (геометрическое). Мы сейчас приведем даже два геометрических решения.

1°. Проведем в треугольнике ABCABC среднюю линию DFDF. Имеем
∣FE∣=∣CE∣−∣CF∣=b+c2−b2=c2=∣DF∣,|FE| = |CE| - |CF| = \frac{b+c}{2} - \frac{b}{2} = \frac{c}{2} = |DF|,
то есть треугольник DFEDFE — равно-бедренный. Позному
CED^=12CFD^=12CAB^=α2.\widehat{CED} = \frac{1}{2}\widehat{CFD} = \frac{1}{2}\widehat{CAB} = \frac{\alpha}{2}.

2°. Проведем биссертису AKAK угла AA треугольника ABCABC. Тогда
∣CK∣∣CA∣=ab+c.\frac{|CK|}{|CA|} = \frac{a}{b+c}.
но и ∣CD∣∣CE∣=ab+c\frac{|CD|}{|CE|} = \frac{a}{b+c}, значит, треугольники CDECDE и CKACKA подобны, и отрезок DEDE параллелен AKAK.
Следовательно, CED^=CAK^=α2\widehat{CED} = \widehat{CAK} = \frac{\alpha}{2}.

Не права ли, «тигонометрическое» решение этой задачи нельзя назвать удачным? — оба геометрических решения, безусловно, более изящны. Но в некоторых смысле они и более трудны — ведь нужно было договора сделать дополнительно-

Упражнения
1 (ЛГУ, 1973). В прямогольнике ABCDABCD дано: ∣AB∣=a|AB| = a, ∣AD∣=b|AD| = b (a>ba > b). Найти на стороне ABAB точку EE, для которого ∠CED≅∠AED\angle CED \cong \angle AED.
2 (НГУ, 1967). В плоском выпуклом четырехугольнике ABCDABCD точки E,F,K,LE, F, K, L являются серединами сторона AB,BC,CD,DAAB, BC, CD, DA. Отрезками EKEK и FLFL данный четырехугольник разделен на четыре менших четырехугольника. Доказать, что сумма площадей тех из этих четырехугольников, которые имеют вершины в точках AA и CC, равна сумме площадей двух других четырехугольников.
3 (НГУ, 1974). В трапеции ABCDABCD боковая сторона CDCD перpendикулярна к основанию ADAD, ∣BC∣=a|BC| = a, ∣AD∣=b|AD| = b, a<ba < b. На основании ADAD существует такая точка MM, что (MBMB) перpendикулярна к (ACAC), а (MCMC) перpendикулярна к (BDBD). Найти высоту трапеции.
4 (МФТИ, 1970). Дана трапеция ABCDABCD с основаниями ∣AB∣=a|AB| = a, ∣CD∣=b|CD| = b (a<ba < b). Окружность, проходящая через вершины A,BA, B и CC, касается [AD]. Найти длину диагонали ACAC.
5 (МФТИ, 1973). Две окружности радиусов RR и rr (R>rR > r) имеют внешнее касание в точке AA. Через точку BB, взятую на большей окружности, проведена прямая, касающаяся меньшей окружности в точке CC. Найти длину отрезка BCBC, если длина хорды ABAB равна aa.
6 (МФТИ, 1973). В равноочной трапеции ABCDABCD угол при основании ADAD равен 2425\frac{24}{25}. Окружность радиуса RR касается основания ADAD, боковой стороны ABAB и проходит через вершину CC; она отсекает на стороне BCBC и CDCD конгруэнтные отрезки MCMC и NCNC соответственно. Найти длину отрезка BMBM.
7 (МГУ, бинофак, 1973). В круге проведены два диаметра ABAB и CDCD, MM — некоторая точка. Известно, что ∣AM∣=15|AM| = 15, ∣BM∣=20|BM| = 20 и ∣CM∣=24|CM| = 24. Чему равно ∣DM∣|DM|?
8 (МГУ, геолог. фак., 1974). Дан прямой треугольник ABCABC с прямым углом при вершине CC. Угол CABCAB равен α\alpha. Биссертиса угла ABCABC пересекает катет ACAC в точке KK. На стороне BCBC как на диаметре построена окружность, которая пересекает гипотенуzy ABAB в точке MM. Найти угол AMKAMK.