В этой статье приведены четыре важных векторных соотношения и показано на примере материлов вступительных экзаменов 1977—1978 гг., как их применять при решении конкурсных задач.
Основное соотношение. В треугольнике ABC на строоне AC взята точка D так, что |AD|:|DC| = m:n. Тогда BD=m+nnBA+m+nmBC∗). (1)
Доказательство. Имеем (рис. 1) AC=BC−BA,AD=m+nmAC=m+nmBC−m+nmBA,BD=BA+AD=BA+m+nmBC−m+nmBA=m+nnBA+m+nmBC.
Задача 1 (МГУ, эконом. фак., 1978). В треугольнике KLM на строоне KL взята точка A так, что |KA|:|AL| = 1:3; на строоне LM взята точка B так, что |LB|:|BM| = 4:1. Пусть С—точка пересечения прямых KB и MA. Известно, что площадь треугольника KLC равна 2. Найти площадь треугольника KLM.
*) В несолько ином виде эта формула рассматривается в стате С. Овчинникова («Квант», 1978, № 3, с. 48). См. также статью В. Болтянского в «Квант» 1978, № 10, с. 14.
Решение. Положим SΔKLB=S. Тогда (рис. 2), очевидно, SΔKLM=54S. Введем векторы KL и KM. На основании (1) имеем KB=51KL+54KM.
Пусть KC=xKB, где 0<x<1. Тогда KC=5xKL+54xKM. (2)
Пусть ∣AC∣:∣CM∣=m:n. Тогда из треугольника AKM по той же формуле (1) имеем KC=m+nnKA+m+nmKM=m+nn41KL+m+nmKM. (3)
В силу единственной разложения вектора по двум неоколичным векторам из (2) и (3) получаем систему {5x=4(m+n)n54x=m+nm, или {54x=m+nn54x=m+nm.
Рис. 1.
Рис. 2.
47
MN2=94a2+9a2=95a2,
откуда
∣MN∣=3a5.
Ответим теперь на второй вопрос задачи. Пусть ∣D1M∣:∣MA∣=p.
Тогда
MN=p+11D1D+p+1pAB1=
=−p+1ak+p+12apj+p+1apk=
=p+12apj+p+1a(p−1)k,
MN2=(p+1)24a2p2+(p+1)2a2(p−1)2=
=(p+1)2a2(5p2−2p+1).
Очевидно, ∣MN∣ будет иметь наименьшее значение при том значении p, при котором его достигает функция
y=(p+1)25p2−2p+1.
Читатель легко проверит (пользовясь произвольной), что это будет при p=31. Подставляя это значение в последнее выражение для MN2 и извлекая корень, находим искомое минимальное расстояние:
2a2.
III основное соотношение. Дан метраэдр ABCD и в плоскости его грани ABC точка M. Доказать, что для разложения
DM=αDA+βDB+γDC
выполняется равенство
α+β+γ=1∗).
Решение. Допустим, что точка M лежит внутри треугольника ABC (рис. 5). Проведем через точки A и M прямую, к которой пересекает сторону BC в точке E. Пусть точка E делит сторону BC в отношении
∗)Внесколькоиномвидеэтосоотношениеимеетсявцитированнойстатье C. Овчинникова.
Рис. 5.
m:n, т. е. ∣BE∣:∣EC∣=m:n. Тогда по формуле (1)
DE=m+nmDC+m+nnDB.
Пусть, далее, точка M делит отрезок AE в отношении p:q, т. е. ∣AM∣:∣ME∣=p:q. Тогда
DM=p+qpDE+p+qqDA=
=p+qp(m+nmDC+m+nnDB)+
+p+qqDA=p+qqDA+p+qp×
×m+nnDB+p+qpm+nmDC.
Итак, вектор DM разложен по векторам DA,DB и DC. Неопределенный подсчет суммы коэффициентов в этом разложении дает
p+qq+p+qpm+nn+
+p+qpm+nm=p+qq+p+qp=1,
что и требовалось. Остальные случаи (точка M лежит вне треугольника ABC или на одной из его сторон) аналогичны и мы их опускаем.
Задача 3 (МФТИ, 1978). Длина ребра правильного метраэдра ABCD равна a. Точка E — середина ребра CD, точка F — середина высоты BL грани ABD. Отрезок MN с концами прямых AD и BC пересекают прямую EF и перепадкуя ей. Найдем длину этого отрезка.
Решение. Введем векторы AB=b;AC=c;AD=d (рис. 6). Заметим, что ∥b∥=∥c∥=∥d∥=a и
48
Рис. 6.
b,c=c,d=d,b=3π. Так как E – середина ребра DC, то AE=21(c+d).
Аналогично, AF=21(b+AL),
но AL=21d, поэтому AF=21b+41d.
В силу единственной разложения вектора по треем данных некомпланным векторам (b,c,d) отсюда и из (10) получаем систему 2α=1−n;2β=n;4α+2β+γm=0,
решая которой получем α=2−2n,β=2n,γ=−2m1+n.
Решая это уравнение совместно с (12), найдем n=32 и m=65. Осталось подставить эти значения в выражение (10) для MN; получим MN=32c+31b−65d;
после несложного вычисления найдем ∣MN∣=6a23.
IV основное соотношение. Если M — точка пересечения медиан треугольника ABC и O — произвольная точка пространства, то выполняется равенство: OM=31(OA+OB+OC).
Это соотношение формулировано и доказано в учебнике «Геометрия 9» (§ 22, задача 2).
Заддача 4 (Киевск. политехн. ин-т, 1978). Около равностороннего треугольника, сторона коморого равна a, описана окружность. Доказать,
49
Чимо сумма квадратов расстояний от произвольной точки окружности до вершин этого треугольника равна 2a2.
Решение. Пусть D — произвольная точка окружности (рис. 7). Положим ∣DA∣=x;∣DB∣=y;∣DC∣=z.
Тогда по теореме косинусов имеем:
из ΔADB:a2=x2+y2−xy,
из ΔBDC:a2=y2+z2−yz,
из ΔADC:a2=x2+z2+xz.
Сложив по частям эти равенства, получаем 3a2=2(x2+y2+z2)−xy−yz+zx. (14)
В силу IV основного соотношения DO=31(DA+DB+DC),
где O — центр окружности.
Возведя обе части этого равенства в квадрат, получаем ∣DO∣2=91(DA2+DB2+DC2)+2DA⋅DB+2DB⋅DC+2DC⋅DA).
Так как ∣DO∣ — радиус окружности, описанной около равностороннего треугольника, сторона которого равна a, то ∣DO∣2=∣DO∣2=31a2.
Позтому 3a2=91(x2+y2+z2+xy+yz−zx)
или 3a2=x2+y2+z2+xy+yz−zx.
Сложив это равенство по частям с (14), получим 6a2=3(x2+y2+z2),
откуда x2+y2+z2=2a2.
Читатель «Кванта», готовящий к экзаменам, может спросить: имеет ли он право пользоваться «основными соотношениями» при решении экзаменционных задач? Разумеется,—да! Оdnako при этом для соотношения I—III необходимо привести ввод использующего соотношения в экзаменционной работе. (Для соотношения IV, разумеется, достаточно сслаться на учебник.)
Чтобы привыкнуть к самостоятельному применению основных соотношения, рекомендуем решить нижеследующие упражнения. Из них 1—2 решаются с помощью I, 3—4 с помощью II, 5—6 с помощью III.
Уражнения
1 (МФТИ, 1970). В треугольнике ABC bicсектириса A1 делит сторону BC в отношении ∣BD∣:∣CD∣=2:1. В каком отношении медиана CE делит эту bicсектирису?
2 (МГУ, биофак, 1973). Через середину M стороны BC параллелограмма ABCD, площадь которого равна 1, и вершину A проведена прямая, пересекающая диагональ BD в точке Q. Найти площадь четырехугольника QMCD.
3 (МФТИ, 1977). Все ребра правильной признамы ABCA1B1C1 имеют длину a. Рассматривают отрезки с концами на диагонали BC1 и CA1 боковых граней, параллельные плоскости ABB1A1.
Один из этих отрезков проведен через точку M диагонали BC1 такую, что ∣BM∣:∣BC1∣=1:3. Найти его длину.
Найти наименьшую длину всех расматриваемых отрезков.
4 (МФТИ, 1977). Сторона основания ABCD правильной прямой SABCD имеет длину a, боковое ребро — длину 2a. Рассматривают отрезки с концами на диагонали BD основания и боковом ребре SC, параллельные (SAD).
Найти наименьшую длину всех расматриваемых отрезков.
5 (МФТИ, 1978). В правильной прямой признаме ABCA1B1C1 длина стороны основания равна 4a, длина бокового ребра равна a. Точки D и E — середины ребра A1B1 и BC. Отрезок MN с концами на прямых AC и BB1 пересекает прямую DE и перпендикулярен к ней. Найти длину этого отрезка.
6 (МФТИ, 1978). Длина ребра куба ABCDA1B1C1D1 равна a. Точки P,K,L — середины ребер AA1,A1D1,B1C1 соответствственно, точки Q — центр грани CC1D1D. Отрезок MN с концами на прямых AD и KL пересекает прямую PQ и перпендикулярен к ней. Найти длину этого отрезка.