Квант
Школа в «Кванте»

Об одном способе задания окружности

Табов Й. Б.

25

Об одном способе задания окружности

И. Б. ТАБОВ (НРВ)

Как известно, окружность определяется как геометрическое место точек, одинаково удаленных от фиксированной точки O. Но существует и много других способов задания окружности. Мы рассмотрим здесь один из них.

Пусть P — точка, l — исходящий из нее луч. Отметим на луче m, также исходящем из точки P и образующем с лучом l острый или прямой угол φ, точку M, находящуюся от P на расстоянии a cos φ, где a — фиксированное положительное число (рис. 1).

Теорема. При изменении угла φ в промежутке от —π/2 до π/2 точки M составляют окружность диаметра a, проходящую через точку P и симметрично относительно луча l.

(So знаком «плюс» мы откладываем углы в направлении против часовой стрелки, so знаком «минус» — в направлении по часовой стрелке.)

Доказательство. Пусть R — точка нашей окружности, диаметрально противоположная точке P, и пусть M — произвольная точка

нашей окружности (рис. 2). Тогда ∠PMR=π/2, и значит,

PM=PR · cos (∠MPR)=a cos φ.

(Случай M=R (φ=0) и M=P (φ=±π/2) требует, строго говоря, отдельного рассмотрения, которое мы оставляем читателю.) Таким образом, все точки окружности принадлежат нашему геометрическому месту, а так как окружность пересекает каждой луч m, то никаких других точек расматриваемое геометрическое место не содержит. Теорема доказана.

Заметим, что если в описании геометрического места выражение a cos φ заменить выражением a cos (φ+δ) (и, конечно, условие, что угол φ — острый или прямой, заменить условием, что cos (φ+δ)≥0), мы получим окружность диаметра a, проходящую через точку P и симметрично относительно луча, составляющего с l угол δ (рис. 3).

Наконец, если вместо выражения a cos φ написать выражение a sin φ (и условие sin φ≥0), то мы получим окружность диаметра a, касаощую луча l в точке P (рис. 4).

Продемонстрируем полезность нашей наблюдания на решении одной нестандартной задачи.

Задача 1. Дан равноведренный прямогольный треугольник A₀A₁A₂ с прямым углом при вершине A₀. Для произвольной точки C на описанной вокруг треугольника A₀A₁A₂ окружности отметим на луче A₀C такую точку M, что

A₀M=A₁C+A₂C-A₀C.

Найдите геометрическое место точек M.

26

Решение. Приимем диаметр нашей окружности за 1 и обозначим через φ угол CA₀O, где O — центр окружности. Тогда, очевидно (рис. 5),
A₀C=cos φ,
A₁C=|sin (φ+π/4)|,
A₂C=|sin (φ-π/4)|.

Рассмотрим три случая.

  1. -π/4≤φ≤π/4. Тогда
    A₀M=sin (φ+π/4)−sin (φ−π/4)−cos φ=√2cos φ−cos φ=(\sqrt{2}-1)cos φ.

Таким образом, соответствующая часть геометрического места будет дугоой окружности диаметра √2−1, проходящей через точку A₀ и симметричной относительной луча A₀O (рис. 5). Поскольку угол φ пробегает промежуток [−π/4; π/4] длин π/2 (а не π, как выше), мы получаем, что эта дуга равна получружности диаметра √2−1 (на рисунке 5 она выделена красным цветом).

  1. π/4<φ<π/2. Тогда
    A₀M=sin (φ+π/4)+sin (φ−π/4)−cos φ=√2sin φ−cos φ=√3(√2/3sin φ−√1/3cos φ)=√3cos (φ+δ),
    где δ=arccos(−√1/3). Таким образом, соответствующая этим значением φ часть геометрического места будет дугоой окружности диаметра √3, проходящей через точку A₀ и симметричной относительной луча A₀O.

Окончательный ответ к задаче 1 изображен на рисунке 7.

Задание 2. Дан многоугольник A₀A₁A₂……Aₙ, вписанный в окружность c. Для произвольной точки C окружности c отметим на луче A₀C такую точку M, что
A₀M=|x₀·A₀C+x₁·A₁C+…+xₙ·AₙC|,
где x₀, x₁,…, xₙ — некоторые числа.
Найдите множество, которое описывает точка M, когда C пробегает окружность c.

Задание 3 (это — задание M853 из «Задачника «Кванта», см. «Квант», 1984, № 3). Квадрат ABCD врачается вокруг своего неподвижного центра. Найдите множество, которое описывает середина отрезка PQ, где P — основание перпендикуляра, опущенного из точки D на неподвижную прямую l, a Q — середина стороны AB.