Квант
Разное

Доказательство геометрических неравенств

Сефибеков С. Р.

51

С. Сефибеков

Доказательство геометрических неравенств

В математических задачах часто бывают полезен такой пример: двумя способами найти одну и ту же величины и приравнять полученные для нее выражения. Пусть мы, например, двумя способами нашли площадь некоторой фигуры. Если в одном из выражений для площади входит, скажем, синус какого-либо угла α\alpha, то при помощи соответствия sin⁡α≤1\sin \alpha \leq 1 из полученного равенства можно получить некоторое неравенство, поей интересное. В статье С. Сефибекова этот пример использовался всемью задачи. Эти задачи доступны восьмиклассикам, но они интересны и для поступающих вуз — задачи такого типа попадаются на устных экзаменах.

Ключ к решению приведенных ниже задач — три формулы для площадей. Как известно («Геометрия 8», п. 108), площадь треугольника равна половине произведения двух (любых) его сторона на синус угла между ними:

S=12absin⁡αS = \frac{1}{2} ab \sin \alpha

Выведите отсюда, что площадь выпуклого четырехугольника равна половине произведения его диагоналей на синус угла между ними*):

S=12l1l2sin⁡α.S = \frac{1}{2} l_1 l_2 \sin \alpha.

Докажите также, что площадь описанного многоугольника

*) Почему не нужно указывать, какой именно угол между diагоналями расматриется?

S=12Pr.S = \frac{1}{2} Pr.

Задача 1. Доказать, что произведение любых двух сторонних треугольника не меньше произведения его периметра на радиус вписанной окружности: ab≥Prab \geq Pr.

Решение. Достаточно приравнять выражения (1) и (3) для площади треугольника и учеть, что sin⁡α≤1\sin \alpha \leq 1.

Замечание. Из решения видно, что если угол между сторонами с длинами aa и bb — не прямой, то ab>Prab > Pr.

Из неравенства (4) и заменяющая следует, что для любого треугольника

ab+bc+ca>3Pr.ab + bc + ca > 3Pr.

Задача 2. Доказать, что радиус RR окружности, описанной около произвольного треугольника, радиус rr описанной окружности и его периметр PP удовлетворяет неравенству

a) R>33PrR > \frac{\sqrt{3}}{3} \sqrt{Pr},

если треугольник остроугольный или тупоугольный;

b) R≥22PrR \geq \frac{\sqrt{2}}{2} \sqrt{Pr},

если треугольник прямоугольный.

Решение. a) Соединим центр OO описанной окружности с вершинами треугольника.

Для остроугольного треугольника (рис. 1)

SABC=SAOB+SBOC+SCOA.S_{ABC} = S_{AOB} + S_{BOC} + S_{COA}.

Рис. 1.

53

С другой стороны, по формуле (1)
SAOB=12∣OA∣⋅∣OB∣⋅sin⁡AOB^.(18)S_{AOB} = \frac{1}{2} |OA| \cdot |OB| \cdot \sin \widehat{AOB}. \quad (18)
ИЗ (17) и (18)
P1r1≤∣OA∣⋅∣OB∣.(19)P_1 r_1 \leq |OA| \cdot |OB|. \quad (19)
Аналогично,
P2r2≤∣OB∣⋅∣OC∣,(20)P_2 r_2 \leq |OB| \cdot |OC|, \quad (20)
P3r3≤∣OC∣⋅∣OD∣,(21)P_3 r_3 \leq |OC| \cdot |OD|, \quad (21)
P4r4≤∣OD∣⋅∣OA∣.(22)P_4 r_4 \leq |OD| \cdot |OA|. \quad (22)
ИЗ (19) — (22) легко получается требуемое неравенство.
Равенство достигается, когда [AC]⊥[BD][AC] \perp [BD]. ИЗ (16) и (13) легко получается неравенство:
SAOB⋅SBOC⋅SCOD⋅SDOA≤116∣OA∣2⋅∣OB∣2⋅∣OC∣2⋅∣OD∣2.S_{AOB} \cdot S_{BOC} \cdot S_{COD} \cdot S_{DOA} \leq \frac{1}{16} |OA|^2 \cdot |OB|^2 \cdot |OC|^2 \cdot |OD|^2.
Задача 5. Докажите, что для выпуклого четырехугольника ABCD справедливо неравенство
SABCD≤a2+b2+c2+d24,(23)S_{ABCD} \leq \frac{a^2 + b^2 + c^2 + d^2}{4}, \quad (23)
еде a,b,c,da, b, c, d—длины его стороны.
Решение. Разобем. Четырехугольник диагонального на два треугольника (рис. 3). Тогда
SABCD=SABC+SADC.S_{ABCD} = S_{ABC} + S_{ADC}.
По формуле (1)
SABC=12absin⁡B^.S_{ABC} = \frac{1}{2} ab \sin \widehat{B}.

Отсюда и из неравенства ab≥a2+b22ab \geq \frac{a^2 + b^2}{2} получаем
SABC≤a2+b24.(24)S_{ABC} \leq \frac{a^2 + b^2}{4}. \quad (24)
Аналогично
SADC≤c2+d24.(25)S_{ADC} \leq \frac{c^2 + d^2}{4}. \quad (25)
ИЗ (24) и (25) получаем требуемое неравенство.
Если B^=D^=90∘\widehat{B} = \widehat{D} = 90^\circ и a=b=c=da = b = c = d, т. е. четырехугольник ABCD—квадрат, то соответствие (23) превращается в равенство.
В заключение—три задачи для самостоятельного решения.
Задача 6. Доказать, что для грапейции с высотой hh, диаэонами l1,l2l_1, l_2 и основаниями a,ba, b
h≤l1l2a+b.h \leq \frac{l_1 l_2}{a + b}.
Задача 7. Доказать, что для грапейника ABC
SABC<16(a2+b2+c2),S_{ABC} < \frac{1}{6} (a^2 + b^2 + c^2),
еде a,b,ca, b, c—длины стороны.
Задача 8. Доказать, что для выпуклого четырехугольника ABCD
SABCD<16(a2+b2+c2+d2+e2+f2),S_{ABCD} < \frac{1}{6} (a^2 + b^2 + c^2 + d^2 + e^2 + f^2),
еде a,b,c,da, b, c, d—длины диаэонами.
Постройте многогранник!
(Начало на c. 50)
Многогранник на второй странице обложки получен из этой эпюры несколько более сложным образом: в нем «окружения» вершин 3 и 7 используются по пять раз — из них образован купол модели с вершиной 9. Боковые поверхности тоже получены из эпюры.
Как же строить эпюры? Делается это с помощьюравнерано полуправных многогранников.
Такие многогранники заменяются тем, что все их грани равновравны: для любых двух граней такого многогранника можно указать такое перемещение пространства, при котором многогранник перейдет в себя, а первый грань перейдет во вторую. Возьмем любой такой многогранник и рассмотрим плоскости всех его граней. Зафиксируем одну из этих плоскостей (назовем ее Π\Pi). В ней остальные плоскости «высекается» система прямых линей. Точно такие же системы образуют и в остальных плоскости. Расмотрим теперь многогранную прямую ll системы. Она является пересечением плоскости Π\Pi и плоскости еще одной грани. При повороте, переводящем эту плоскость в плоскость Π\Pi, пряма ll перейдет в некоторую прямую l′l' плоскости Π\Pi. Оказывается, пряма l′l' получается из прямой ll либо поворотом (в плоскости Π\Pi) относительно их общей точки, либо параллельным переносом. Остается на черте точки поворотов с соответствующими джкками и стрелочками для параллельных переносов.
Эпюра на рисунке получена изравнерано полуправных шестидесятейугольника («Квант», 1976, № 1).
Совет. При изготовлении эпюры в большем масштабе воспользоваться тем, что пятуюгольник ABCD правильно.