Постройте циркулем и линейкой треугольник по данным длинам медианы, высоты и угла при вершине между ними; опишите пошагово построение, докажите его корректность или укажите условия невыполнимости
Короткий ответ: конструкция возможна тогда и только тогда, когда h=mcosα.
h=m\cos\alpha. h=mcosα.
При этом треугольников вообще бесконечно много (одномерная семью): точки A, M, H однозначно определяются, а вершины B и C — любая симметричная пара относительно M на прямой BC. Пошаговое построение (при выполнении условия): 1. Проверка: убедитесь, что m>0, h>0m>0,\ h>0m>0,h>0 и h=mcosαh=m\cos\alphah=mcosα. Если нет — построить треугольник невозможно. 2. Возьмите точку AAA. Постройте лучи r1,r2r_1,r_2r1,r2 из AAA, составляющие угол ∠(r2Ar1)=α\angle (r_2Ar_1)=\alpha∠(r2Ar1)=α. 3. На луче r1r_1r1 отложите AH=hAH=hAH=h и отметьте точку HHH. На луче r2r_2r2 отложите AM=mAM=mAM=m и отметьте точку MMM. 4. Проведите через HHH прямую BCBCBC, перпендикулярную AHAHAH (то есть возведите перпендикуляр к AHAHAH в точке HHH). По условию в этой конструкции точка MMM лежит на построенной прямой (проверьте на чертеже). 5. Выберите любую точку BBB на прямой BCBCBC (отличную от MMM). Постройте точку CCC как симметричную BBB относительно MMM (с помощью окружностей с центром в MMM или с помощью средней линии). Тогда MMM — середина отрезка BCBCBC. 6. Треугольник ABCABCABC — искомый (можно взять и другое BBB, получится другой треугольник с теми же данными). Краткое обоснование корректности: - В треугольнике AMHAMHAMH по построению AM=m, AH=h, ∠MAH=αAM=m,\ AH=h,\ \angle MAH=\alphaAM=m,AH=h,∠MAH=α. Для того, чтобы прямая BCBCBC через HHH была общей прямой и для точки MMM (т.е. чтобы MMM лежал на этой прямой и AH⊥BCAH\perp BCAH⊥BC), в треугольнике AMHAMHAMH должно быть прямым угол при HHH. Тогда по Пифагору m2=h2+MH2,
m^2=h^2+MH^2, m2=h2+MH2,
а по теореме косинусов для стороны MHMHMH в треугольнике при угле α\alphaαMH2=m2+h2−2mhcosα.
MH^2=m^2+h^2-2mh\cos\alpha. MH2=m2+h2−2mhcosα.
Сравнивая получаем условие h=mcosαh=m\cos\alphah=mcosα. Это условие одновременно достаточное: если оно выполнено, то в треугольнике AMHAMHAMH угол при HHH ровно прямой, значит прямая через HHH, перпендикулярная AHAHAH, содержит MMM и является линией BCBCBC. Остальные вершины B,CB,CB,C получаются как симметричные относительно MMM. Уточнения и частные случаи: - Если h>mh>mh>m или cosα≠h/m\cos\alpha\ne h/mcosα=h/m — решений нет. - При h=mh=mh=m получается MH=0MH=0MH=0 (точки MMM и HHH совпадают); прямая BCBCBC проходит через эту общую точку перпендикулярно AHAHAH; снова бесконечно много пар B,CB,CB,C. - В общем решением является одномерное семейство треугольников (параметр — расстояние MB=MCMB=MCMB=MC).
h=mcosα. h=m\cos\alpha.
h=mcosα. При этом треугольников вообще бесконечно много (одномерная семью): точки A, M, H однозначно определяются, а вершины B и C — любая симметричная пара относительно M на прямой BC.
Пошаговое построение (при выполнении условия):
1. Проверка: убедитесь, что m>0, h>0m>0,\ h>0m>0, h>0 и h=mcosαh=m\cos\alphah=mcosα. Если нет — построить треугольник невозможно.
2. Возьмите точку AAA. Постройте лучи r1,r2r_1,r_2r1 ,r2 из AAA, составляющие угол ∠(r2Ar1)=α\angle (r_2Ar_1)=\alpha∠(r2 Ar1 )=α.
3. На луче r1r_1r1 отложите AH=hAH=hAH=h и отметьте точку HHH. На луче r2r_2r2 отложите AM=mAM=mAM=m и отметьте точку MMM.
4. Проведите через HHH прямую BCBCBC, перпендикулярную AHAHAH (то есть возведите перпендикуляр к AHAHAH в точке HHH). По условию в этой конструкции точка MMM лежит на построенной прямой (проверьте на чертеже).
5. Выберите любую точку BBB на прямой BCBCBC (отличную от MMM). Постройте точку CCC как симметричную BBB относительно MMM (с помощью окружностей с центром в MMM или с помощью средней линии). Тогда MMM — середина отрезка BCBCBC.
6. Треугольник ABCABCABC — искомый (можно взять и другое BBB, получится другой треугольник с теми же данными).
Краткое обоснование корректности:
- В треугольнике AMHAMHAMH по построению AM=m, AH=h, ∠MAH=αAM=m,\ AH=h,\ \angle MAH=\alphaAM=m, AH=h, ∠MAH=α. Для того, чтобы прямая BCBCBC через HHH была общей прямой и для точки MMM (т.е. чтобы MMM лежал на этой прямой и AH⊥BCAH\perp BCAH⊥BC), в треугольнике AMHAMHAMH должно быть прямым угол при HHH. Тогда по Пифагору
m2=h2+MH2, m^2=h^2+MH^2,
m2=h2+MH2, а по теореме косинусов для стороны MHMHMH в треугольнике при угле α\alphaα MH2=m2+h2−2mhcosα. MH^2=m^2+h^2-2mh\cos\alpha.
MH2=m2+h2−2mhcosα. Сравнивая получаем условие h=mcosαh=m\cos\alphah=mcosα. Это условие одновременно достаточное: если оно выполнено, то в треугольнике AMHAMHAMH угол при HHH ровно прямой, значит прямая через HHH, перпендикулярная AHAHAH, содержит MMM и является линией BCBCBC. Остальные вершины B,CB,CB,C получаются как симметричные относительно MMM.
Уточнения и частные случаи:
- Если h>mh>mh>m или cosα≠h/m\cos\alpha\ne h/mcosα=h/m — решений нет.
- При h=mh=mh=m получается MH=0MH=0MH=0 (точки MMM и HHH совпадают); прямая BCBCBC проходит через эту общую точку перпендикулярно AHAHAH; снова бесконечно много пар B,CB,CB,C.
- В общем решением является одномерное семейство треугольников (параметр — расстояние MB=MCMB=MCMB=MC).