Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - Артур Бенджамин 17 стр.

Получившиеся таким образом треугольники BAX и CAX являются конгруэнтными согласно аксиоме по двум сторонам и лежащему между ними углу: BA = CA (что следует из понятия равнобедренности), ∠BAX = ∠CAX (что следует из понятия биссектрисы), а AX = AX (вернее, не так: отрезок AX не уникален, он появляется одновременно в двух треугольниках и не меняет свою длину). А так как BAX ≅ CAX, также равны будут и остальные стороны и углы, в том числе ∠B = ∠C, что и требовалось доказать.◻

То же можно доказать и с помощью теоремы конгруэнтности по трем сторонам. Для этого возьмем точку M как середину отрезка BC, то есть чтобы BM было равно MC. Проведем линию по отрезку AM. Как и в предыдущем доказательстве, треугольники BAM и CAM будут конгруэнтными, потому что BA = CA (равнобедренность), AM = AM, а MB = MC (потому что точка M находится ровно посередине BC). Следовательно, согласно доказательству по трем парам сторон, BAM ≅ CAM, что говорит нам о равности лежащих в них углов, в том числе и ∠B = ∠C, что и требовалось доказать.

Из факта конгруэнтности следует, что ∠BAM = ∠CAM, следовательно, отрезок AM является биссектрисой. Более того, так как ∠BMA = ∠CMA и в сумме они дают 180°, каждый из них должен быть равен 90°, из чего следует вывод, что в равнобедренном треугольнике биссектриса, проложенная из угла A, будет перпендикуляром к основанию BC.

Кстати, доказательство от обратного в отношении равнобедренного треугольника тоже вполне эффективно, то есть если ∠B = ∠C, то AB = AC. Для этого, как и в самом первом доказательстве, проведем биссектрису из точки A в точку X. Утверждение, что BAX ≅ CAX, в этом случае следует из теоремы конгруэнтности по двум углам и прилежащей к одному из них стороне: ∠B = ∠C (согласно изначальному условию), ∠BAX = ∠CAX (согласно определению биссектрисы), а AX = AX. Значит, AB = AC, то есть треугольник ABC является равнобедренным.

Теорему эту можно применить и к равностороннему треугольнику: если равны все стороны, значит, равны и все углы. Следовательно, поскольку в сумме своей три угла дают 180°, имеем сопутствующую теорему.

Сопутствующая теорема: В равностороннем треугольнике каждый из углов равен 60°.

Согласно теореме конгруэнтности по трем сторонам, если в треугольниках ABC и DEF совпадают все стороны (то есть AB = DE, BC = EF, а CA = FD), их углы будут также совпадать (то есть ∠A = ∠D, ∠B = ∠E, а ∠C = ∠F). Верным ли будет обратное предположение, что, если в треугольниках ABC и DEF совпадают все углы, будут совпадать и их стороны? Конечно же, нет – просто посмотрите на рисунок:

Два треугольника с равными углами называются подобными. Если треугольники ABC и DEF являются подобными (что обозначается как ∆ABC ~ ∆DEF или просто ABC ~ DEF), то ∠A = ∠D, ∠B = ∠E, а ∠C = ∠F. То есть один из них, по сути, является уменьшенной (или увеличенной) версией второго. Поэтому при ABC ~ DEF их стороны находятся в пропорциональной зависимости друг от друга по некоторому положительному масштабирующему коэффициенту k: DE = kAB, EF = kBC, а FD = kCA.

Все это поможет нам ответить на второй вопрос нашей викторины, с которой мы начали главу. Давайте вспомним все условия. У нас есть две параллельные прямые: на нижней пролегает отрезок XY, на верхней – точка P. Нашей задачей было найти такое местоположение точки P, при котором треугольник XYP имел бы наименьший периметр. Преобразуем правильный ответ в теорему.

Теорема: треугольник XYP имеет наименьший периметр, если точка P, которая расположена на прямой, параллельной его основанию, находится точно в середине отрезка XY.

И хотя для того, чтобы подтвердить это предположение, достаточно пары нехитрых вычислительных операций, побалуем себя изысканным геометрическим подходом (доказательство получится очень долгим и немного запутанным, поэтому, если хотите, можете особо в него не вчитываться, а то и вовсе пропустить).

Доказательство: Предположим, что точка P располагается абсолютно в любом месте на верхней прямой, а точка Z располагается прямо над точкой Y. (Точнее говоря, точка Z должна быть расположена так, чтобы линия YZ, проведенная от нее в точку Y, была строго перпендикулярна как нижней, так и верхней прямым, как показано на рисунке чуть ниже.) Продолжим линию YZ до точки Y´так, чтобы отрезок Y´Z был равным отрезку ZY. Другими словами, если бы верхняя прямая была зеркалом, точка Y´ была бы отражением точки Y.

Треугольники PZY и PZY´ будут конгруэнтными согласно аксиоме по двум сторонам и лежащему между ними углу: PZ = PZ, ∠PZY = 90° = ∠PZY´, а ZY = ZY´. Следовательно, PY = PY´, из чего и будем исходить далее.

Периметр треугольника YXP есть сумма длин трех отрезков:

а так как мы только что доказали, что PY = PY´, тот же периметр можно представить в виде

Длина YX не зависит от P, так что задачу по поиску ее местонахождения можно упростить до поиска наименьшего значения XP + PY´.

Отрезки XP и PY образуют ломаную линию, которая соединяет точки X и Y´. Но так как наиболее кратким путем между двумя точками будет не ломаная, а прямая линия, в оптимальном варианте точка P* должна располагаться на одной прямой с точками X и Y´, причем на месте ее пересечения с верхней горизонталью, как на рисунке ниже. Все? Нет, еще не все: нам же нужно доказать, что P* находится точно над центральной точкой отрезка XY.

Обозначим точку, находящуюся прямо под точкой P* буквой M. Отрезок P*M при этом будет перпендикулярен XY. Так как верхняя прямая параллельна нижней, длина P*M должна быть равна длине ZY. В принципе, это понятно и так, ведь расстояние между двумя параллельными прямыми равно всегда – хоть на видимом участке, хоть в бесконечности, – но дополнительным подтверждением тому является отрезок MZ, который дает нам два конгруэнтных (согласно теореме – по двум углам и прилежащей к одному из них стороне) треугольника MYZ и ZP*M.

Чтобы доказать, что точка M лежит ровно в центре отрезка XY, докажем сначала подобность треугольников MXP* и YXY´. Обратите внимание, что ∠MXP* и ∠YXY´ суть один и тот же угол, ∠P*MX = ∠Y´YX, так как они оба прямые, а раз мы имеем полное совпадение в двух парах углов, совпасть должны углы и в третьей паре, чтобы в каждом треугольнике получилось по 180°. Каким будет масштабирующий коэффициент? Согласно построению,

поэтому масштабирующий коэффициент будет равен 2. Следовательно, длина XM составляет ровно половину от длины XY, а отрезок XM заканчивается ровно в центре отрезка XY.

Обобщая, мы можем утверждать, что для того, чтобы треугольник XYP имел наименьший периметр, точка P* верхней прямой должна располагаться точно над центральной точкой отрезка XY.◻

Порой геометрические задачи можно решить с помощью алгебры. Предположим, например, что отрезок AB лежит на поверхности с координатами (a1, a2) для точки A и координатами (b1, b2) для точки B. Тогда точка M, располагающаяся в середине этого отрезка, будет иметь координаты

Порой геометрические задачи можно решить с помощью алгебры. Предположим, например, что отрезок AB лежит на поверхности с координатами (a1, a2) для точки A и координатами (b1, b2) для точки B. Тогда точка M, располагающаяся в середине этого отрезка, будет иметь координаты

как показано на графике. То есть если, скажем, A = (1, 2), а B = (3, 4), центром отрезка AB является точка M = ((1 + 3)/2, (2 + 4)/2) = (2, 3).

За этим кроется один полезный факт о треугольниках. Начертите треугольник и соедините друг с другом центральные точки любых двух его сторон. Видите, что получается? Ответ кроется в следующей теореме.

Теорема о центральных точках треугольника: В треугольнике ABC линия между центральной точкой стороны AB и центральной точкой стороны BC будет параллельна стороне AC. Более того, при длине стороны AC, равной b, длина отрезка, соединяющего центральные точки двух других сторон, будет равна b/2.

Доказательство: Поместим треугольник ABC на плоскость так, чтобы точка A располагалась в координатах (0, 0), сторона AC была строго горизонтальной, а точка C, таким образом, имела координаты (b, 0), как показано на рисунке ниже. Обозначим координаты точки B как (x, y). Тогда центральная точка отрезка AB будет находиться в координатах (x/2, y/2), а центральная точка отрезка BC – в координатах ((x + b)/2, y/2). Так как у них одни и те же y-координаты, соединяющая их линия должна быть строго горизонтальна, то есть параллельна стороне AC. Более того, длина этой линии составит (x + b)/2 – x/2 = b/2, что и требовалось доказать.

Теорема о центральных точках треугольника поможет нам разгадать фокус, с которого начиналась эта глава: тогда мы взяли четырехугольник ABCD и соединили центральные точки его сторон так, что образовался еще один четырехугольник, EFGH, который оказался (и всегда окажется) параллелограммом. Давайте разберемся, почему так происходит. Диагональная линия, проведенная от вершины A к вершине C, образует два треугольника ABC и ADC (см. рисунок).

Применив теорему о центральных точках треугольника, мы обнаружим, что отрезок EF будет параллелен отрезку AC, который в свою очередь будет параллелен отрезку GH. Следовательно, EF будет параллельна GH. (Более того, EF и GH будут иметь одинаковую длину, равную половине AC.)

Проведем точно такую же диагональ из вершины B к вершине D и увидим, что FG и HE также параллельны и равны по длине. Следовательно, EFGH является параллелограммом.

Большинство из разобранных нами теорем связано с треугольниками, что ничуть не удивительно, ведь в геометрии этой фигуре уделяется много внимания. Кстати сказать, треугольник есть не что иное, как наипростейшая разновидность полигонов (многоугольников). Дальше идут четырехугольник (четырехсторонний полигон), пятиугольник (пятисторонний полигон) и так далее. Полигон, количество сторон которого равно n, иногда называется n-угольником. Мы уже доказывали, что сумма всех углов треугольника равна 180°. А что насчет остальных полигонов? Любой четырехугольник, будь то квадрат, прямоугольник или параллелограмм, имеет четыре стороны. В прямоугольнике, как явствует из его названия, все 4 угла являются прямыми, то есть равными 90°, а значит, составляют в сумме 360°.

Следующая наша теорема будет верна для любого четырехугольника.

Теорема: Сумма углов четырехугольника равна 360°.

Доказательство: Возьмем любой четырехугольник с вершинами A, B, C и D (вроде того, что изображен на рисунке). Из угла A в угол C проведем линию так, чтобы она разделила четырехугольник на 2 треугольника, сумма углов каждого из которых равна 180°. Следовательно, сумма углов четырехугольника составит 2 × 180° = 360°

Чтобы проследить общую закономерность, разберем еще одну теорему.

Теорема: Сумма углов пятиугольника равна 540°.

Доказательство: Возьмем пятиугольник с вершинами A, B, C, D и E (вроде того, что изображен на рисунке). Линия, проведенная от вершины A к вершине C, разделит пятиугольник на четырех– и треугольник. Сумма углов треугольника ABC составляет 180° (это мы знаем уже давно), сумма углов четырехугольника ACDE – 360° (это мы доказали только что). Следовательно, сумма углов пятиугольника – 180° + 360° = 540°.

Этот алгоритм можно применять снова и снова, к любому полигону, вплоть до n-угольника.

Здесь отлично сработает метод индукции: для этого надо разделить наш n-угольник на n – 2 треугольников, поэтапно соединяя линиями вершину A со всеми остальными.

Теорема: сумма углов n-угольника равна 180(n – 2) градусам.

А теперь… просто следите за волшебной палочкой! Начертите восьмиугольник (восьмисторонний полигон) и поставьте внутри него 5 точек – где угодно. А теперь соедините их с вершинами углов и друг с другом так, чтобы у вас получались треугольники (именно треугольники – никаких других фигур). Процесс этот называется триангуляцией, и вот несколько его примеров. (Последний восьмиугольник я оставил пустым, чтобы вы могли проделать это сами.)

В обоих моих примерах восьмиугольники разбиты ровно на 16 треугольников. Столько же должно получиться у вас в третьем октагоне вне зависимости от того, где именно вы поставили 5 точек. (А если вдруг нет, значит, вы где-то ошиблись – в этом случае просто внимательно приглядитесь к каждой доле и убедитесь, что в ней ровно 3 точки, а не 4; если же их все-таки 4, проведите линию от одного угла доли к другому, чтобы разделить ее на два треугольника.) Объяснить это можно с помощью следующей теоремы.

Теорема: В процессе триангуляции n-сторонний полигон, имеющий внутри некое количество точек, равное p, будет разделен ровно на 2p + n – 2 треугольников.

В нашем предыдущем примере n = 8, а p = 5, поэтому треугольников получается 10 + 8 – 2 = 16.

Доказательство: Предположим, что в процессе триангуляции у нас получается количество треугольников, равное T. Мы можем доказать, что T = 2p + n – 2, решив одну арифметическую задачку двумя разными способами. Итак, внимание!

Вопрос: Чему будет равна сумма углов всех треугольников?

Ответ 1: Так как количество треугольников равно T, а сумма углов каждого из них – 180°, общая сумма составит 180T градусов.

Ответ 2: Разобьем задачу на две. Углы, прилежащие к каждой из внутренних точек (напомним, что их количество равно p), образуют окружность, следовательно, их общая сумма составит 360p градусов. С другой стороны, из предыдущей теоремы мы знаем, что сумма углов n-угольника равна 180(n – 2) градусам. Значит, всего получится 360p + 180(n – 2) градусов.

Из двух ответов составим уравнение

Разделим обе части на 180, что даст нам

что и требовалось доказать.☺

Периметры и площади

Периметр полигона есть сумма длин его сторон. Так, периметр прямоугольника длиной b и шириной h будет равен 2b + 2h, потому что и b, и h суть размеры каждой из двух его сторон. А как насчет площади? Исходим из того соображения, что площадь квадрата размером 1 на 1 (так называемого единичного квадрата) равна 1. При положительных целых значениях b и h (как на рисунке) мы можем разбить всю площадь на bh единичных квадратов, а значит, она будет равна bh. В целом же, любой прямоугольник с длиной b и шириной h (где b и h суть положительные, но необязательно целые величины) имеет площадь bh.