32
Вокруг биссектрисы
Кандидат физико-математических наук
И. Ф. ШАРЫГИН
В этой статье собраны некоторые геометрические факты, прямо или косвенно связанные с биссектриской треугольника. Среди них читатель найдет и несложные, но часто используемые «леммы», и более солидные и трудные «теоремы» и просто красивые «задания». Но мы не станем их никак классифицировать, а просто будем нумеровать в порядке появления в стате. Утверждения, которые приводятся в статье без доказательства, автоматически включаются в число упражнений. Впрочем, и имеющиеся в статье доказательства мы постарались изложить по возможности лаконично, чтобы оставить читатель простор для размышлений.
Это должно знать каждый
Напомним прежде всего некоторые общеприятные обозначения: — данный треугольник, — его площадь, , , , , и — соответственно, центр описанной окружности и ее радиус, и — центр и радиус вписанной окружности. Кроме того, треугольник имеет три внешисанные окружности, каждый из которых касается одной стороны треугольника и продолженной двух других сторон. Их центры и радиуса будем обозначать, соответственно, , , , , , ( — центр внешисанной окружности, касающей стороны и продолженной стороны и , — ее радиус).
Все другие обозначения будут разъясняться в соответствии with места.
(1) Пусть биссектриса угла пересекает сторону в точке . Тогда
(2) Пусть биссектриса внешнего угла при вершине пересекает прямую в точке . Тогда
(3)
(4)
(5) Если — точка касания вписанной окружности со сторонам , то . (Аналогично определе-
Рис. 1.
Рис. 2.
33
Рис. 3, а.
ляются и другие отрезки, на которые стороны треугольника делятся точками касания со вписанной окружностью.)
(6) Если — точка касания внешней списанной окружности с центром с прямой , то .
(7) Вершины и лежат на окружности с диаметром ; центр этой окружности лежит на описанной окружности (рис. 1).
Таким образом, центр вписанной окружности обладает следующим свойством: прямые , и (то есть bicсетрицы) проходят через центры описанных окружностей треугольников , , соответственно. Верна и обратная теорема.
(8) Если прямые , и проходят через центры описанных окружностей треугольников , и , то — центр вписанной окружности треугольника .
В самом деле, пусть , , — точки пересечения прямых , и с соответствующими окружностями, отличные от (рис. 2). Тогда , и — диаметры этих окружностей, поэтому , и — высоты треугольника . Отсюда получаем , то есть лежит на bicсетрисе угла и, аналогично, на bicсетрисах углов и .
Расстояния между центрами «замечательных окружностей».
(9) (формула Эйлера).
(10) .
(11) .
Для доказательства первых двух формул напомним, что если и —
Рис. 3, б.
точки пересечения произвольной прямой, проходящей через данную точку , с окружностью радиуса с центром , то . (Это вытекает из подобия треугольников и , где и — точки пересечения прямой с окружностью; рис. 3, а и б.) Отсюда следует, что , где — точка пересечения биссетрисы угла с описанной окружностью (рис. 4). Но , а по утверждению (7), поэтому . Аналогично, . Наконец, .
(12) Точки, симметричные центрами внешних окружностей относительно центра описанной окружности, лежат на окружности радиуса 2R с центром .
34
Два экстремальных свойств центра вписанной окружности
Возьем внутри треугольника произвольную точку . Существует довольно много неравенств, касаошихся расстояний от этой точки до вершин треугольника. Мы рассмотрим два таких неравенства, имеющих отношение к теме статьи.
(13) Обозначим через точку пересечения прямой с описанной окружностью. Тогда
(14) .
В обозначим через прямую неравенства достигается, если совпадает с — центром вписанной окружности.
Доцустим, что наименьшее значение выражения , стоящего в левой части неравенства (13), достигается в некоторой точке внутри треугольника . Мы показем, что . А поскольку (это следует, например, из подобия прямой угольных треугольников и на рисунке 4*)), отсюда будет вытекать, что если принадлежит свое наименьшее значение внутри треугольника , то . Выделенное предложение является нетривиальным и очень существенным. Мы обсуим его несколько позже.
Описем около треугольника окружность (рис. 5). Все треугольники , получающие при перемещении точки по ее дуге , подобны между собой (почему?), следовательно, отношение будет для них одним и тем же. Поэтому, если — точка минимума величины , прямая должна проходить через центр окружности, описанной около треугольника , иначе мы могли бы уменьшить , оставляя постоянным отношение . Пусть теперь и — точки пересечения прямых и с окружностью,
Следовательно, прямые и также должны проходить через цент-
35
ры окружностей, описанных около треугольников BMC и AMB соответственно, и в силу (8) точка — центр вписанной окружности треугольника ABC.
Вернемся к вопросу о достижении наименьшего значения функций . В анализе доказывается, что непрерывная числовая функция, заданная на отрезке, обязает принимает в некоторых его точках свое наибольшее и наименьшее значение). Аналогическая теорема верна и для функций нескольких переменных, например для функций на плоскости; в частности, функция, непрерывная на многоугольнике, всегда достигает на нем наибольшего и наименьшего значения. Однако к нашей задаче эта теорема неисредственно не применена — функция не определяна в вершинах треугольника ABC. Более того, ее даже невозможно допредельить в точках так, чтобы она стала непрерывной на всем треугольнике (включения уголки, мы получим шестиугольник, на котором наша функция уже будет непрерывна и, следовательно, достигает наименьшего значения. Можно показать, что вблизи границы треугольника . Поэтому, если отрезание уголки достаточно малы, наименьшее значение на шестиугольника, а значит, и на треугольнике, достигается при и равно .
Рассмотренное доказательство неравенства (13) относит к косвенным, в отличие от так называемых прямых, когда неисредственно доказывается, что (в нашем случае) для всех точек внутри треугольника ABC. Косвенные доказательства нужно проводить с известной осторожностью, потому что наибольшее или наименьшее значение функций достигается относительно не всегда. За примером далекого ходить не надо: сама функция не принимает своего наибольшего значения; читатель предлагается доказать, что , где — длина наибольшей стороны треугольника, для всех точек треугольника ABC (кроме, конечного, вершин), причем величины может быть скольго близка к .
Перейдем к доказательству неравенства (14). Оно тоже будет косвенным: мы показем, что точка максимума лежой части этого неравенства (если она существует!) совпадает с .
Опшем около треугольника BMC окружность и продолжим отре-
зок до вторичного пересечения с ней в точке (рис. 6). Примем к четырехугольнику теорему Птолемея — «сумма произведений противоположных сторон вписанного в окружность четырехугольника равна произведению его диагоналей»: .
Эту теорему можно доказать, выражая двумя способами площадь четырехугольника: если — вписанный четырехугольник и хорда параллельна диагонали , то (рис. 7); в то же время , где — угол между диагоналями и , а , либо — см. рис. 7.
Учитывая, что длины хорд одной окружности пропорциональны снукам опирающихся на них углов, получим
или
Сопоставляя последнее равенство с неравенством (14), видим, что левая часть неравенства равна . Значит, прямая должны проходить через центр окружности, описанной около BMC, поскольку в противном случае, перемещая по дуге , мы можем увеличить левую часть неравенства (14). Дальнейшие рассуждания (в том числе и доказательство существования точки максимума) проводятся так же, как и в задаче (13).
Докажите самостояльно, что если совпадает с , то ; для этого можно воспользоваться, например, заданным (6) и (7) и тем, что .
Когда подводит интуция
Если у треугольника равны два «однотипных» элемента (например, два угла или две медианы и т. п.), то естественно ожидать, что он будет равноведным. Среди задач на