Исследуйте задачу о геометрическом месте точек M на плоскости треугольника ABC, для которых отношение сумм квадратов расстояний до вершин, S1 = MA^2 + MB^2 + MC^2, к сумме квадратов расстояний до середины каждой стороны S2 = M A_m^2 + M B_m^2 + M C_m^2 является постоянным числом k; найдите вид множества в зависимости от k и свяжите с центроидом и параболическим набором точек;.
Кратко и по делу. Обозначим стороны треугольника через a=BC, b=CA, c=ABa=BC,\; b=CA,\; c=ABa=BC,b=CA,c=AB и положим S1=MA2+MB2+MC2, S2=MAm2+MBm2+MCm2S_1=MA^2+MB^2+MC^2,\; S_2=MA_m^2+MB_m^2+MC_m^2S1=MA2+MB2+MC2,S2=MAm2+MBm2+MCm2, где Am,Bm,CmA_m,B_m,C_mAm,Bm,Cm — середины сторон BC,CA,ABBC,CA,ABBC,CA,AB. Пусть p=a2+b2+c2p=a^2+b^2+c^2p=a2+b2+c2. 1) Связь S1S_1S1 и S2S_2S2. По формуле для расстояния до середины: MAm2=MB2+MC22−BC24,
MA_m^2=\frac{MB^2+MC^2}{2}-\frac{BC^2}{4}, MAm2=2MB2+MC2−4BC2,
и аналогично для остальных середин. Суммируя получаем S2=S1−p4.
S_2=S_1-\frac{p}{4}. S2=S1−4p.
Отсюда условие S1/k=S2S_1/k=S_2S1/k=S2 эквивалентно S2=p4(k−1).
S_2=\frac{p}{4(k-1)}. S2=4(k−1)p.
Из этого следует сразу необходимость k>1k>1k>1 (иначе правая часть ≤0\le0≤0 и решений нет). 2) Центр и вид геометрического места. Пусть GGG — центроид треугольника. Общая формула для сумм квадратов даёт S2=3 MG2+∑GAm2.
S_2=3\,MG^2+\sum GA_m^2. S2=3MG2+∑GAm2.
Известно также ∑GA2=p3\sum GA^2=\dfrac{p}{3}∑GA2=3p. Поэтому ∑GAm2=∑GA2−p4=p12,
\sum GA_m^2=\sum GA^2-\frac{p}{4}=\frac{p}{12}, ∑GAm2=∑GA2−4p=12p,
и, значит, S2=3 MG2+p12.
S_2=3\,MG^2+\frac{p}{12}. S2=3MG2+12p.
Сравнивая с предыдущим выражением для S2S_2S2 получаем радиус уровня: MG2=p(4−k)36(k−1).
MG^2=\frac{p(4-k)}{36(k-1)}. MG2=36(k−1)p(4−k). 3) Итог (в зависимости от kkk): - Для 1<k<41<k<41<k<4 множество точек MMM — окружность с центром в центроиде GGG и радиусом R=p(4−k)36(k−1).
R=\sqrt{\frac{p(4-k)}{36(k-1)}}. R=36(k−1)p(4−k).
- Для k=4k=4k=4 единственная точка — центроид M=GM=GM=G. - Для k≤1k\le1k≤1 или k>4k>4k>4 реальных точек не бывает. Связь с центроидом: центроид GGG — центр всех этих окружностей; при k=4k=4k=4 получается единственная точка GGG. Про «параболический набор точек»: в данной задаче множество является кругом (или точкой), параболических линий не возникает. При предельном приближении k→1+k\to1^+k→1+ радиус стремится к бесконечности (окружности раздуваются до «практически плоскости»), но это не даёт параболы.
Обозначим стороны треугольника через a=BC, b=CA, c=ABa=BC,\; b=CA,\; c=ABa=BC,b=CA,c=AB и положим
S1=MA2+MB2+MC2, S2=MAm2+MBm2+MCm2S_1=MA^2+MB^2+MC^2,\; S_2=MA_m^2+MB_m^2+MC_m^2S1 =MA2+MB2+MC2,S2 =MAm2 +MBm2 +MCm2 ,
где Am,Bm,CmA_m,B_m,C_mAm ,Bm ,Cm — середины сторон BC,CA,ABBC,CA,ABBC,CA,AB. Пусть p=a2+b2+c2p=a^2+b^2+c^2p=a2+b2+c2.
1) Связь S1S_1S1 и S2S_2S2 . По формуле для расстояния до середины:
MAm2=MB2+MC22−BC24, MA_m^2=\frac{MB^2+MC^2}{2}-\frac{BC^2}{4},
MAm2 =2MB2+MC2 −4BC2 , и аналогично для остальных середин. Суммируя получаем
S2=S1−p4. S_2=S_1-\frac{p}{4}.
S2 =S1 −4p . Отсюда условие S1/k=S2S_1/k=S_2S1 /k=S2 эквивалентно
S2=p4(k−1). S_2=\frac{p}{4(k-1)}.
S2 =4(k−1)p . Из этого следует сразу необходимость k>1k>1k>1 (иначе правая часть ≤0\le0≤0 и решений нет).
2) Центр и вид геометрического места. Пусть GGG — центроид треугольника. Общая формула для сумм квадратов даёт
S2=3 MG2+∑GAm2. S_2=3\,MG^2+\sum GA_m^2.
S2 =3MG2+∑GAm2 . Известно также ∑GA2=p3\sum GA^2=\dfrac{p}{3}∑GA2=3p . Поэтому
∑GAm2=∑GA2−p4=p12, \sum GA_m^2=\sum GA^2-\frac{p}{4}=\frac{p}{12},
∑GAm2 =∑GA2−4p =12p , и, значит,
S2=3 MG2+p12. S_2=3\,MG^2+\frac{p}{12}.
S2 =3MG2+12p . Сравнивая с предыдущим выражением для S2S_2S2 получаем радиус уровня:
MG2=p(4−k)36(k−1). MG^2=\frac{p(4-k)}{36(k-1)}.
MG2=36(k−1)p(4−k) .
3) Итог (в зависимости от kkk):
- Для 1<k<41<k<41<k<4 множество точек MMM — окружность с центром в центроиде GGG и радиусом
R=p(4−k)36(k−1). R=\sqrt{\frac{p(4-k)}{36(k-1)}}.
R=36(k−1)p(4−k) . - Для k=4k=4k=4 единственная точка — центроид M=GM=GM=G.
- Для k≤1k\le1k≤1 или k>4k>4k>4 реальных точек не бывает.
Связь с центроидом: центроид GGG — центр всех этих окружностей; при k=4k=4k=4 получается единственная точка GGG.
Про «параболический набор точек»: в данной задаче множество является кругом (или точкой), параболических линий не возникает. При предельном приближении k→1+k\to1^+k→1+ радиус стремится к бесконечности (окружности раздуваются до «практически плоскости»), но это не даёт параболы.