Постройте с помощью только циркуля и линейки (или объясните невозможность построения) треугольник по заданным длинам медианы, биссектрисы и высоты, исходя из конкретных числовых данных; обоснуйте метод и укажите критические случаи
Надо уточнить: под «медианой, биссектрисой и высотой» подразумеваются три отрезка, исходящие из одного и того же угла обычновершиныAобычно вершины AобычновершиныA? Я в ответе буду считать так: заданы числа m = m_a медианаизAмедиана из AмедианаизA, l = l_a биссектрисаизAбиссектриса из AбиссектрисаизA и h = h_a высотаизAвысота из AвысотаизA. Если имелось в виду другое — скажите.
Решение конструктивно+критериисуществованияконструктивно + критерии существованияконструктивно+критериисуществования.
Обозначим треугольник ABC, сторона a = BC, её середина M, пусть BC положена на оси Ox, M в начале координат. Обозначим d = a/2 точкиBиCв−dи+dнаоситочки B и C в −d и +d на оситочкиBиCв−dи+dнаоси, координаты A = x,hx,hx,hвысотаAHперпендикулярнаBC,поэтомуy‑координатаAравнаhвысота AH перпендикулярна BC, поэтому y‑координата A равна hвысотаAHперпендикулярнаBC,поэтомуy‑координатаAравнаh. По определению медианы AM = m, значит m^2 = x^2 + h^2, откуда x = ± sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2. необходимоеусловие:m≥hнеобходимое условие: m ≥ hнеобходимоеусловие:m≥h.
Биссектриса из A пересекает BC в точке L = s,0s,0s,0. По заданной длине l имеем l^2 = x−sx − sx−s^2 + h^2, откуда |s − x| = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2. необходимоеусловие:l≥hнеобходимое условие: l ≥ hнеобходимоеусловие:l≥h. Обозначим t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2, тогда s = x ± t.
Остаётся найти d тоестьB=(−d,0),C=(d,0)то есть B = (−d,0), C = (d,0)тоестьB=(−d,0),C=(d,0). Условие биссектрисы BL:LC = AB:AC даёт последовательныеалгебраическиепреобразования,см.выводнижепоследовательные алгебраические преобразования, см. вывод нижепоследовательныеалгебраическиепреобразования,см.выводниже уравнение относительно d^2 = u^2 обозначимu=dобозначим u = dобозначимu=d: u^2 = s xs−m2x s − m^2xs−m2 / s−xs − xs−x. ★★★
Это выразимо через известные m,h,l потомучтоxиsвыражаютсячерезнихпотому что x и s выражаются через нихпотомучтоxиsвыражаютсячерезних. Все операции в формуле сложение,вычитание,умножение,деление,извлечениеквадратногокорнясложение, вычитание, умножение, деление, извлечение квадратного корнясложение,вычитание,умножение,деление,извлечениеквадратногокорня — классически конструктивны циркулем и линейкой. Поэтому при выполнении условий, которые я перечислю ниже, можно построить u = sqrtu2u^2u2 и затем поставить B = −u,0−u,0−u,0, C = u,0u,0u,0 и A = x,hx,hx,h. Получим искомый треугольник.
Вывод формулы краткократкократко. Пусть b = AC, c = AB. Тогда b^2 = x−ux − ux−u^2 + h^2, c^2 = x+ux + ux+u^2 + h^2. Условие BL:LC = c:b ⇔ s+us + us+u/u−su − su−s = c/b. Возводя в квадрат и подставляя b^2,c^2 и упрощая, получаем после сокращений линейное уравнение по u^2, дающее ★★★.
Критические и частные случаи необходимыеидостаточныезамечаниянеобходимые и достаточные замечаниянеобходимыеидостаточныезамечания
1) Необходимые условия:
m ≥ h и l ≥ h. Иначе решения нет нельзяизвлечьквадратныекорниxилиtнельзя извлечь квадратные корни x или tнельзяизвлечьквадратныекорниxилиt.
2) Случай m = h.
Тогда x = 0, т.е. A лежит строго над серединой M и медиана, высота и биссектриса совпадают по направлению. Для любого d любаядлинаоснованияa=2dлюбая длина основания a = 2dлюбаядлинаоснованияa=2d медиана и высота имеют длину h, и биссектриса длина тоже равна h. Значит при m = h существование возможно только если l = h; в этом случае решений бесконечно много параметрdсвободенпараметр d свободенпараметрdсвободен — данные не определяют треугольник однозначно.Если m = h и l ≠ h — решений нет.
3) Случай l = h.
Если l = h, то t = 0 ⇒ s = x. Подставляя в ★★★, делитель s − x = 0; для совместимости правая часть должна быть нулём. Это даёт совместность только в случае x = 0 т.е.m=hт.е. m = hт.е.m=h — тот самый многозначный изосцелеский случай. В общем случае l = h и m ≠ h — решений нет.
4) Общий случай m > h и l > h.
Берём x = ±sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2двазеркальныхрасположенияAотносительноосисимметриидва зеркальных расположения A относительно оси симметриидвазеркальныхрасположенияAотносительноосисимметрии, t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2, s = x ± t двевозможностидляположенияLотносительнопроекцииAдве возможности для положения L относительно проекции AдвевозможностидляположенияLотносительнопроекцииA. Для каждой пары знаков вычисляем u^2 по формуле ★★★. Решение существует тогда и только тогда, когда полученное u^2 > 0 и при этом |s| < u чтобыточкаLлежаламеждуBиCчтобы точка L лежала между B и CчтобыточкаLлежаламеждуBиC. Если эти условия выполнены, то вычисляем u = sqrtu2u^2u2 и строим B,C,A как выше. Обычно получается не более 4 геометрических конфигураций выборзнаковдляxидля±tвыбор знаков для x и для ±tвыборзнаковдляxидля±t, многие из них дают конгруэнтные треугольники или зеркальные отражения.
Практическая пошаговая конструкция чтонужнопостроитьциркулемилинейкойчто нужно построить циркулем и линейкойчтонужнопостроитьциркулемилинейкой
Проверить m ≥ h и l ≥ h. Если нет — стоп.Построить точку M и ось BC произвольнопроизвольнопроизвольно. На оси в одной точке обозначить M.Построить x = sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2: отложить от M на оси расстояние x двумяспособами±двумя способами ±двумяспособами±. На высоте h над осью провести параллельную прямую; точка A — пересечение этой прямой с вертикалью через смещённую точку проекции точно:ставимAтак,чтобыпроекциянаосьимелакоординатуxивысотаhточно: ставим A так, чтобы проекция на ось имела координату x и высота hточно:ставимAтак,чтобыпроекциянаосьимелакоординатуxивысотаh. Геометрически:можнопостроитьпрямоугольныйтреуг.состоронамиhиx,отложивxпоосииподняввысотуh.Геометрически: можно построить прямоугольный треуг. со сторонами h и x, отложив x по оси и подняв высоту h.Геометрически:можнопостроитьпрямоугольныйтреуг.состоронамиhиx,отложивxпоосииподняввысотуh.Построить t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2. На оси отметить точки L = x±t,0x ± t, 0x±t,0.Для каждой пары выборx‑знакаи±tвыбор x‑знака и ±tвыборx‑знакаи±t вычислить u^2 по формуле ★★★. Все арифметические операции умножение/деление/квадратныйкореньумножение/деление/квадратный кореньумножение/деление/квадратныйкорень выполняются геометрически стандартныепостройки:пропорции,пересеченияокружностей/прямыхдаютсумму,разность,произведение/частноеиизвлечениеsqrtстандартные постройки: пропорции, пересечения окружностей/прямых дают сумму, разность, произведение/частное и извлечение sqrtстандартныепостройки:пропорции,пересеченияокружностей/прямыхдаютсумму,разность,произведение/частноеиизвлечениеsqrt.Если u^2 > 0 и u > |s| — строим u и ставим B−u,0−u,0−u,0, C+u,0+u,0+u,0. Тогда A,B,C — искомый треугольник. Проверяем: AM = m, AL = l, AH = h.
Итого: в общем случае (m > h, l > h) треугольник строится единственным впределахвыбраннойориентациив пределах выбранной ориентациивпределахвыбраннойориентации способом по приведённой формуле; в специальных ситуациях m = h и l = h — бесконечно много решений изосцелескийслучайизосцелеский случайизосцелескийслучай; в остальных случаях решений нет. Вся конструкция основана на квадратных уравнениях/корнях, поэтому выполняется циркулем и линейкой.
Если хотите — могу:
привести подробный вывод формулы ★★★ пошагово;дать конкретную числовую иллюстрацию возьмитеконкретныеm,l,hвозьмите конкретные m,l,hвозьмитеконкретныеm,l,h и продемонстрировать конкретную постройку и проверку;или дать схему построения геометрическими операциями какиеименноокружности/прямыепроводитьдлякаждойарифм.операциикакие именно окружности/прямые проводить для каждой арифм. операциикакиеименноокружности/прямыепроводитьдлякаждойарифм.операции.
Надо уточнить: под «медианой, биссектрисой и высотой» подразумеваются три отрезка, исходящие из одного и того же угла обычновершиныAобычно вершины AобычновершиныA? Я в ответе буду считать так: заданы числа m = m_a медианаизAмедиана из AмедианаизA, l = l_a биссектрисаизAбиссектриса из AбиссектрисаизA и h = h_a высотаизAвысота из AвысотаизA. Если имелось в виду другое — скажите.
Решение конструктивно+критериисуществованияконструктивно + критерии существованияконструктивно+критериисуществования.
Обозначим треугольник ABC, сторона a = BC, её середина M, пусть BC положена на оси Ox, M в начале координат. Обозначим d = a/2 точкиBиCв−dи+dнаоситочки B и C в −d и +d на оситочкиBиCв−dи+dнаоси, координаты A = x,hx,hx,h высотаAHперпендикулярнаBC,поэтомуy‑координатаAравнаhвысота AH перпендикулярна BC, поэтому y‑координата A равна hвысотаAHперпендикулярнаBC,поэтомуy‑координатаAравнаh. По определению медианы AM = m, значит
m^2 = x^2 + h^2, откуда
x = ± sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2. необходимоеусловие:m≥hнеобходимое условие: m ≥ hнеобходимоеусловие:m≥h.
Биссектриса из A пересекает BC в точке L = s,0s,0s,0. По заданной длине l имеем
l^2 = x−sx − sx−s^2 + h^2,
откуда
|s − x| = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2. необходимоеусловие:l≥hнеобходимое условие: l ≥ hнеобходимоеусловие:l≥h.
Обозначим t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2, тогда s = x ± t.
Остаётся найти d тоестьB=(−d,0),C=(d,0)то есть B = (−d,0), C = (d,0)тоестьB=(−d,0),C=(d,0). Условие биссектрисы BL:LC = AB:AC даёт последовательныеалгебраическиепреобразования,см.выводнижепоследовательные алгебраические преобразования, см. вывод нижепоследовательныеалгебраическиепреобразования,см.выводниже уравнение относительно d^2 = u^2 обозначимu=dобозначим u = dобозначимu=d:
u^2 = s xs−m2x s − m^2xs−m2 / s−xs − xs−x. ★★★
Это выразимо через известные m,h,l потомучтоxиsвыражаютсячерезнихпотому что x и s выражаются через нихпотомучтоxиsвыражаютсячерезних. Все операции в формуле сложение,вычитание,умножение,деление,извлечениеквадратногокорнясложение, вычитание, умножение, деление, извлечение квадратного корнясложение,вычитание,умножение,деление,извлечениеквадратногокорня — классически конструктивны циркулем и линейкой. Поэтому при выполнении условий, которые я перечислю ниже, можно построить u = sqrtu2u^2u2 и затем поставить B = −u,0−u,0−u,0, C = u,0u,0u,0 и A = x,hx,hx,h. Получим искомый треугольник.
Вывод формулы краткократкократко. Пусть b = AC, c = AB. Тогда
b^2 = x−ux − ux−u^2 + h^2, c^2 = x+ux + ux+u^2 + h^2.
Условие BL:LC = c:b ⇔ s+us + us+u/u−su − su−s = c/b. Возводя в квадрат и подставляя b^2,c^2 и упрощая, получаем после сокращений линейное уравнение по u^2, дающее ★★★.
Критические и частные случаи необходимыеидостаточныезамечаниянеобходимые и достаточные замечаниянеобходимыеидостаточныезамечания
1) Необходимые условия:
m ≥ h и l ≥ h. Иначе решения нет нельзяизвлечьквадратныекорниxилиtнельзя извлечь квадратные корни x или tнельзяизвлечьквадратныекорниxилиt.2) Случай m = h.
Тогда x = 0, т.е. A лежит строго над серединой M и медиана, высота и биссектриса совпадают по направлению. Для любого d любаядлинаоснованияa=2dлюбая длина основания a = 2dлюбаядлинаоснованияa=2d медиана и высота имеют длину h, и биссектриса длина тоже равна h. Значит при m = h существование возможно только если l = h; в этом случае решений бесконечно много параметрdсвободенпараметр d свободенпараметрdсвободен — данные не определяют треугольник однозначно.Если m = h и l ≠ h — решений нет.3) Случай l = h.
Если l = h, то t = 0 ⇒ s = x. Подставляя в ★★★, делитель s − x = 0; для совместимости правая часть должна быть нулём. Это даёт совместность только в случае x = 0 т.е.m=hт.е. m = hт.е.m=h — тот самый многозначный изосцелеский случай. В общем случае l = h и m ≠ h — решений нет.4) Общий случай m > h и l > h.
Берём x = ±sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2 двазеркальныхрасположенияAотносительноосисимметриидва зеркальных расположения A относительно оси симметриидвазеркальныхрасположенияAотносительноосисимметрии, t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2, s = x ± t двевозможностидляположенияLотносительнопроекцииAдве возможности для положения L относительно проекции AдвевозможностидляположенияLотносительнопроекцииA. Для каждой пары знаков вычисляем u^2 по формуле ★★★. Решение существует тогда и только тогда, когда полученное u^2 > 0 и при этом |s| < u чтобыточкаLлежаламеждуBиCчтобы точка L лежала между B и CчтобыточкаLлежаламеждуBиC. Если эти условия выполнены, то вычисляем u = sqrtu2u^2u2 и строим B,C,A как выше. Обычно получается не более 4 геометрических конфигураций выборзнаковдляxидля±tвыбор знаков для x и для ±tвыборзнаковдляxидля±t, многие из них дают конгруэнтные треугольники или зеркальные отражения.Практическая пошаговая конструкция чтонужнопостроитьциркулемилинейкойчто нужно построить циркулем и линейкойчтонужнопостроитьциркулемилинейкой
Проверить m ≥ h и l ≥ h. Если нет — стоп.Построить точку M и ось BC произвольнопроизвольнопроизвольно. На оси в одной точке обозначить M.Построить x = sqrtm2−h2m^2 − h^2m2−h2: отложить от M на оси расстояние x двумяспособами±двумя способами ±двумяспособами±. На высоте h над осью провести параллельную прямую; точка A — пересечение этой прямой с вертикалью через смещённую точку проекции точно:ставимAтак,чтобыпроекциянаосьимелакоординатуxивысотаhточно: ставим A так, чтобы проекция на ось имела координату x и высота hточно:ставимAтак,чтобыпроекциянаосьимелакоординатуxивысотаh.Геометрически:можнопостроитьпрямоугольныйтреуг.состоронамиhиx,отложивxпоосииподняввысотуh.Геометрически: можно построить прямоугольный треуг. со сторонами h и x, отложив x по оси и подняв высоту h.Геометрически:можнопостроитьпрямоугольныйтреуг.состоронамиhиx,отложивxпоосииподняввысотуh.Построить t = sqrtl2−h2l^2 − h^2l2−h2. На оси отметить точки L = x±t,0x ± t, 0x±t,0.Для каждой пары выборx‑знакаи±tвыбор x‑знака и ±tвыборx‑знакаи±t вычислить u^2 по формуле ★★★. Все арифметические операции умножение/деление/квадратныйкореньумножение/деление/квадратный кореньумножение/деление/квадратныйкорень выполняются геометрически стандартныепостройки:пропорции,пересеченияокружностей/прямыхдаютсумму,разность,произведение/частноеиизвлечениеsqrtстандартные постройки: пропорции, пересечения окружностей/прямых дают сумму, разность, произведение/частное и извлечение sqrtстандартныепостройки:пропорции,пересеченияокружностей/прямыхдаютсумму,разность,произведение/частноеиизвлечениеsqrt.Если u^2 > 0 и u > |s| — строим u и ставим B−u,0−u,0−u,0, C+u,0+u,0+u,0. Тогда A,B,C — искомый треугольник. Проверяем: AM = m, AL = l, AH = h.
Итого: в общем случае (m > h, l > h) треугольник строится единственным впределахвыбраннойориентациив пределах выбранной ориентациивпределахвыбраннойориентации способом по приведённой формуле; в специальных ситуациях m = h и l = h — бесконечно много решений изосцелескийслучайизосцелеский случайизосцелескийслучай; в остальных случаях решений нет. Вся конструкция основана на квадратных уравнениях/корнях, поэтому выполняется циркулем и линейкой.
Если хотите — могу:
привести подробный вывод формулы ★★★ пошагово;дать конкретную числовую иллюстрацию возьмитеконкретныеm,l,hвозьмите конкретные m,l,hвозьмитеконкретныеm,l,h и продемонстрировать конкретную постройку и проверку;или дать схему построения геометрическими операциями какиеименноокружности/прямыепроводитьдлякаждойарифм.операциикакие именно окружности/прямые проводить для каждой арифм. операциикакиеименноокружности/прямыепроводитьдлякаждойарифм.операции.