Дано вписанное в окружность четырехугольник ABCD, у которого угол между диагоналями равен 90°; исследуйте, при каких дополнительных условиях произведение длин противоположных сторон равно сумме квадратов диагоналей, и докажите или опровергните полученные утверждения
Обозначим пересечение диагоналей OOO. Пусть AC=p, BD=q, AO=x, CO=p−x, BO=y, DO=q−yAC=p,\;BD=q,\;AO=x,\;CO=p-x,\;BO=y,\;DO=q-yAC=p,BD=q,AO=x,CO=p−x,BO=y,DO=q−y. Так как диагонали вписанного четырехугольника пересекаются внутри окружности, по теореме о секущих x(p−x)=y(q−y)=t>0.
x(p-x)=y(q-y)=t>0. x(p−x)=y(q−y)=t>0.
Поскольку диагонали перпендикулярны, углы в вершине OOO равны 90∘90^\circ90∘, поэтому AB2=AO2+BO2=x2+y2,CD2=CO2+DO2=(p−x)2+(q−y)2.
AB^2=AO^2+BO^2=x^2+y^2,\qquad CD^2=CO^2+DO^2=(p-x)^2+(q-y)^2. AB2=AO2+BO2=x2+y2,CD2=CO2+DO2=(p−x)2+(q−y)2.
Суммируя и раскрывая скобки, с учётом x(p−x)=tx(p-x)=tx(p−x)=t и y(q−y)=ty(q-y)=ty(q−y)=t, получаем AB2+CD2=x2+y2+(p−x)2+(q−y)2=p2+q2−4t.
AB^2+CD^2=x^2+y^2+(p-x)^2+(q-y)^2=p^2+q^2-4t. AB2+CD2=x2+y2+(p−x)2+(q−y)2=p2+q2−4t.
По неравенству между средней арифметической и геометрической для положительных чисел AB⋅CD≤AB2+CD22=p2+q2−4t2.
AB\cdot CD\le\frac{AB^2+CD^2}{2}=\frac{p^2+q^2-4t}{2}. AB⋅CD≤2AB2+CD2=2p2+q2−4t.
Поскольку t>0t>0t>0 для невырожденного вписанного четырёхугольника, правое выражение строго меньше p2+q2p^2+q^2p2+q2. Значит AB⋅CD<p2+q2.
AB\cdot CD<p^2+q^2. AB⋅CD<p2+q2.
Аналогично для другой пары противоположных сторон: BC⋅AD<p2+q2.
BC\cdot AD<p^2+q^2. BC⋅AD<p2+q2. Вывод: при ненулевом (невырожденном) вписанном четырехугольнике с перпендикулярными диагоналями ни одно из произведений длин противоположных сторон не равно сумме квадратов диагоналей. Равенство могло бы наступить только при t=0t=0t=0 (диагонали пересекаются на окружности), что даёт вырожденный случай, поэтому для невырожденного четырёхугольника требуемое равенство невозможно.
x(p−x)=y(q−y)=t>0. x(p-x)=y(q-y)=t>0.
x(p−x)=y(q−y)=t>0. Поскольку диагонали перпендикулярны, углы в вершине OOO равны 90∘90^\circ90∘, поэтому
AB2=AO2+BO2=x2+y2,CD2=CO2+DO2=(p−x)2+(q−y)2. AB^2=AO^2+BO^2=x^2+y^2,\qquad CD^2=CO^2+DO^2=(p-x)^2+(q-y)^2.
AB2=AO2+BO2=x2+y2,CD2=CO2+DO2=(p−x)2+(q−y)2. Суммируя и раскрывая скобки, с учётом x(p−x)=tx(p-x)=tx(p−x)=t и y(q−y)=ty(q-y)=ty(q−y)=t, получаем
AB2+CD2=x2+y2+(p−x)2+(q−y)2=p2+q2−4t. AB^2+CD^2=x^2+y^2+(p-x)^2+(q-y)^2=p^2+q^2-4t.
AB2+CD2=x2+y2+(p−x)2+(q−y)2=p2+q2−4t. По неравенству между средней арифметической и геометрической для положительных чисел
AB⋅CD≤AB2+CD22=p2+q2−4t2. AB\cdot CD\le\frac{AB^2+CD^2}{2}=\frac{p^2+q^2-4t}{2}.
AB⋅CD≤2AB2+CD2 =2p2+q2−4t . Поскольку t>0t>0t>0 для невырожденного вписанного четырёхугольника, правое выражение строго меньше p2+q2p^2+q^2p2+q2. Значит
AB⋅CD<p2+q2. AB\cdot CD<p^2+q^2.
AB⋅CD<p2+q2. Аналогично для другой пары противоположных сторон:
BC⋅AD<p2+q2. BC\cdot AD<p^2+q^2.
BC⋅AD<p2+q2.
Вывод: при ненулевом (невырожденном) вписанном четырехугольнике с перпендикулярными диагоналями ни одно из произведений длин противоположных сторон не равно сумме квадратов диагоналей. Равенство могло бы наступить только при t=0t=0t=0 (диагонали пересекаются на окружности), что даёт вырожденный случай, поэтому для невырожденного четырёхугольника требуемое равенство невозможно.