Глава II. Применение теорем Чевы и Менелая для решения планиметрических задач. Сравнительный анализ в эффективности применение этих теорем по сравнению с другими способами решения планиметрических задач [2], [5].
Теоремы Чевы и Менелая в школьном курсе математики изучаются лишь в классах с углубленным изучением математики. Между тем, эти теоремы позволяют легко и изящно решить целый класс задач. Многие задачи по планиметрии, предлагаемые на вступительных экзаменах в вузы, в заочные математические школы можно решить с помощью именно этих теорем.
На примере следующих задач (задач на замечательные точки треугольника, на пропорциональные отрезки и на отношение площадей) покажем эффективность применения теорем Чевы и Менелая по сравнению с другими способами решения планиметрических задач.
I блок задач (замечательные точки треугольника). Задача 1.
Доказать, что биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке.
Дано: , – биссектрисы .
Доказать, что биссектрисы и пересекаются в одной точке – точке .
Решение.
I способ (без использования теоремы Чевы)
Докажем сначала теорему о биссектрисе угла.
ТЕОРЕМА.
Каждая точка биссектрисы неразвёрнутого угла равноудалена от его сторон.
Обратно: каждая точка, лежащая внутри угла и равноудалённая от сторон угла, лежит на его биссектрисе.
Дано: , – биссектриса , – произвольная точка на биссектрисе , .
Доказать, что .
Доказательство.
Сделаем дополнительное построение: проведём перпендикуляры и к лучам и соответственно (рис. 13).
Рассмотрим прямоугольные и (, так как и ).
– общая гипотенуза;
, так как по условию – биссектриса .
Следовательно, прямоугольные по гипотенузе и острому углу.
Значит, как соответственные элементы в равных треугольниках, то есть .
Доказано.
Дано: , т. лежит во внутренней области , , , , , .
Доказать, что – биссектриса .
Доказательство.
Рассмотрим прямоугольные и (, так как и ).
– общая гипотенуза;
, так как по условию .
Следовательно, прямоугольные по гипотенузе и катету.
Значит, как соответственные элементы в равных треугольниках, и – биссектриса по определению биссектрисы угла.
Доказано.
Итак, теперь докажем следствие из этой теоремы, то есть то, что биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке.
Рассмотрим произвольный . Обозначим точкой точку пересечения его биссектрис и . Биссектрисы и пересекаются, так как .
Сделаем дополнительные построения: проведём , , (рис. 14).
По доказанной теореме и ( и – биссектрисы ). Поэтому , то есть точка равноудалена от сторон и, значит, лежит на биссектрисе этого угла.
Следовательно, все три биссектрисы – – пересекаются в точке .
Доказано. II способ (с использованием теоремы Чевы).
Биссектриса треугольника делит противоположную сторону этого треугольника на отрезки, пропорциональные прилежащим сторонам треугольника.
Так как по условию – биссектриса , то:
Так как по условию – биссектриса , то:
Так как по условию – биссектриса , то:
Перемножая получившиеся равенства (3), (1) и (2), получаем, что:
Отсюда по теореме Чевы, биссектрисы пересекаются в одной точке – точке .
Доказано. Задача 2.
Доказать, что медианы треугольника пересекаются в одной точке, которая делит каждую медиану в отношении 2:1, считая от вершины. Дано: , – медианы .
Доказать, что:
медианы и пересекаются в одной точке – точке ;
.
Решение.
I способ (без использования теорем Чевы и Менелая).
Рассмотрим произвольный . Обозначим точкой точку пересечения его медиан и . Медианы и пересекаются, так как .
Сделаем дополнительное построение: проведём отрезок (рис. 16).
Так как и – медианы , то точки и являются серединами сторон и соответственно, то есть , .
Отсюда, по определению средней линии треугольника (средней линией треугольника называется отрезок, соединяющий середины двух его сторон) отрезок является средней линией .
Так как средняя линия треугольника параллельна одной из его сторон и равна половине этой стороны, то отрезок и .
Рассмотрим и .
как накрест лежащие углы, образованные при пересечении параллельных прямых и ( по доказанному) секущей ;
как накрест лежащие углы, образованные при пересечении параллельных прямых и ( по доказанному) секущей .
Следовательно, по двум углам, и, значит, их стороны пропорциональны.
Итак, – коэффициент подобия:
Но по доказанному ; , поэтому и , . Таким образом, точка пересечения медиан и делит каждую из них в отношении , считая от вершины.
Аналогично доказывается, что точка пересечения медиан и делит каждую из них в отношении , считая от вершины, и, следовательно, совпадает с точкой .
Итак, все три медианы пересекаются в точке и делятся ею в отношении , считая от вершины.
Доказано II способ (с использованием теорем Чевы и Менелая).
Так как по условию – медианы , то , , , поэтому:
Итак,
Отсюда по теореме Чевы, медианы пересекаются в одной точке – точке .
Рассмотрим .
Прямая пересекает две стороны (, ) и продолжение третьей ( – луч, ), значит, по теореме Менелая:
И, значит,
Рассматривая теорему Менелая для и секущей , а также для и секущей , мы получим, что:
Итак, все три медианы пересекаются в точке и делятся ею в отношении , считая от вершины.
Доказано.
|