Скалярное произведение векторов в геометрических задачах. Задачи на доказательство
21
В новую программу по геометрии (для девятого класса) входит понятие скалярного произведения векторов. Скалярное произведение векторов широко применяется при решении различных геометрических задач и доказательстве теорем. Ниже мы помещаем две заметки — Э. Готмана и Я. Понарина, и которые на несколько примерах демонстрируют применение векторного метода. От читателя требуется знакомство с простейшими операциями — сложением векторов и умножением вектора на число, а также с понятием скалярного произведения векторов.Напомним определение и некоторые свойства скалярного умножения векторов.
Скалярным произведением двух неулевых векторов называется число, равное произведению числовых значений длины этих векторов на косинус угла между векторами.
Обозначается скалярное произведение векторов a и b через a·b; согласно определению a·b = |a|·|b|·cos a, b). Свойства, которые обладает скалярное умножение векторов, аналогичны законом операций над числами:
- a·b = b·a;
- (λa)·b = λ(a·b), где λ — некоторое число;
- a·(b+c) = a·b+a·c
(их доказательства см. в учебном пособии по геометрии для 9-го класса, с. 59).
Э. Готман
Задчи
на доказательство
Из полученного результат следует выжать все, что он может дать.
Д. Пой а. Как решать задачу.
Плоский четырехугольник
Легко видеть, что если диагонали AC и BD четырехугольника ABCD взаимно перпендикулярны (рис. 1), то
длины его стороны удовлетворяют соотношению
А верно ли обратное: можно ли утверждать, что диагонали четырехугольника
23
нее изложеного в предыдущем пункте (с применением теоремы косинусов), а применяется его оченьНЫ: ведь теперь мы знаем, что равенство (2) справедливо для любое расположения четырех точек и , а не только тогда, когда эти точки являются вершинами плоского четырехугольника.
Применя равенство (3), мы сейчас получим много новых интересных результатов.
Следствия
- Промышленное ребра и метраэдра перепределили моеда и молко моеда, когда суммы квадратов длины других промышленных ребер: и , и — равны между собой.
В самом деле, угол между ребрами и может быть найден по формуле
но тогда и только тогда, когда
- Множество точки плоскости, разность квадратов расстояний от каждой из которых до двух данных точки и — величины постоянная, есть прямая, перепределочная прямой .
Доказательство. Пусть эта разность равна . Построим на рис. 3.
прямою точку так, чтобы . Для этого через точку проведем перепределкур к прямой и отложим на нем отрезок длины (рис. 2). Середний перепределкур отрезка пересечет прямую вискомой точке .
Действительно, из прямогоного треугольника , . Но согласно свойству середининого перепределкура, а . Следовательно, .
Очевидно, точка всегда существует, притом единственная. Пусть теперь — точкаискомого множества. Применив к точкам и плоскости формулу (3), получим, что тогда и только тогда, когда прямая перепределкура прямой .
Заметание. Множество точек пространства, обладающих указанным свойствам, есть плоскость, перепределкура к прямой .
- Если — выпуклый четверехольник, промышленной стороны и коморого перепределкуры (рис. 3), то сумма квадратов длины его диагоналей равна сумме квадратов длины двух других его промышленных сторон.
Доказательство. Поколку , , т. е. права часть равенства (3) обращается в нуль. Следовательно,
24
Рис. 5.
- Сумма квадратов длины диагоналей пррапеции равна сумме квадратов длины ее боковых сторониллюс удовеное произведение длины оснований.
Доказательство. Пусть AC и DB — основания трапеции ACBD (рис. 4). Поскольку векторы и сопправлены, , и равенство (3) принимает вид , т. е.
что и требовалось доказать.
- (Известная теорема.) Сумма квадратов длины диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов длины всех его сторонил.
Доказательство. Векторы AC и DB сопправлены (рис. 5), следовательно, , поскольку .
Подставляя найденное значение в (3), получим
и теорема доказана.
Напомним, что квадрат расстояния между двумя точками равен скалярному квадрату вектора, определяемого этих точками. Решив задачу, не спешите: подумайте, нельзя ли результаты использовать для решения какой-нибудь другой задачи.
- а) Около треугольника описана окружность и построена точка D, симметричная центру O относительно стороны AB. Выразите вектор через векторы , и . Докажите, что
где a = |BC|, b = |AC|, c = |AB|, R = |OA|.
- Докажите, что для всякого треугольника справедливо неравенство
Выясните, когда имеет место равенство.
- а) Докажите, что расстояние от центра O окружности, описанной около треугольника , до его центроид грани ABC, M — точка, удовлетворяющая условию . Выразите расстояние от вершины D до точки M через длины ребер треугольника и радиус описанной около треугольника сферы.
- Докажите, что если a, b, c — длины ребер треугольника, имеющих общую вершину, a1, b1, c1 — длины трех остальных ребер и R — радиус описанной около него сферы, то
- Докажите, что расстояние от центра O сферы, описанной около треугольника , до его центроид грани ABC, M — точка, удовлетворяющая условию . Выразите расстояние от вершины D до точки M через длины ребер треугольника, имеющих общую вершину, a1, b1, c1 — длины трех остальных ребер и R — радиус описанной около него сферы, то имеет место равенство
где a, b, c, a1, b1, c1 — длины ребер треугольника, R — радиус описанной сферы.
- Докажите, что если A, B, C, D — четырепольные точки пространства, M и N — середины отрезков AC и BD соответственно, то имеет место равенство
Какие следствия можно вывести из этой теоремы?
*) См. статью Э. Готмана «Пряма Эйлера» («Кваант», 1975, № 2, c. 32).