В четырёхугольнике ABCD стороны AB и CD равны и параллельны, а диагонали пересекаются под прямым углом; при каких дополнительных условиях такой четырёхугольник обязательно является параллелограммом или ромбом? Приведите доказательства и контрпримеры
Короткий ответ: дополнительных условий не требуется — при данных условиях четырёхугольник обязательно является параллелограммом и даже ромбом. Доказательство (координатное, кратко). Положим A=(0,0)A=(0,0)A=(0,0), B=(b,0)B=(b,0)B=(b,0), где b=∣AB∣b=|AB|b=∣AB∣. Так как CD∥ABCD\parallel ABCD∥AB и ∣CD∣=b|CD|=b∣CD∣=b, координаты точек C,DC,DC,D можно записать как C=(x,h)C=(x,h)C=(x,h), D=(x−b,h)D=(x-b,h)D=(x−b,h) (вторая ориентация D=(x+b,h)D=(x+b,h)D=(x+b,h) будет рассмотрена ниже). Тогда BC→=(x−b,h),AD→=(x−b,h),
\overrightarrow{BC}=(x-b,h),\qquad \overrightarrow{AD}=(x-b,h), BC=(x−b,h),AD=(x−b,h),
и значит BC→=AD→\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AD}BC=AD, т.е. BC=ADBC=ADBC=AD и BC∥ADBC\parallel ADBC∥AD. Следовательно AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и BC∥ADBC\parallel ADBC∥AD — ABCDABCDABCD параллелограмм. Осталось показать, что вторая ориентация D=(x+b,h)D=(x+b,h)D=(x+b,h) несовместима с условием перпендикулярности диагоналей. В этой ориентации AC→=(x,h),BD→=(x,h),
\overrightarrow{AC}=(x,h),\qquad \overrightarrow{BD}=(x,h), AC=(x,h),BD=(x,h),
и тогда скалярное произведение AC→⋅BD→=x2+h2\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=x^2+h^2AC⋅BD=x2+h2. Условие AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD даёт x2+h2=0x^2+h^2=0x2+h2=0, т.е. x=h=0x=h=0x=h=0 (вырожденный случай), который исключается. Следовательно единственно возможная (невырожденная) конфигурация даёт параллелограмм. Переход к ромбу. В параллелограмме диагонали пересекаются в серединах; пусть OOO — точка пересечения. Введём половинные диагональные векторы p=12AC→p=\tfrac12\overrightarrow{AC}p=21AC, q=12BD→q=\tfrac12\overrightarrow{BD}q=21BD. Тогда четыре стороны параллелограмма равны векторам p+qp+qp+q, p−qp-qp−q, −p−q-p-q−p−q, −p+q-p+q−p+q. Условие AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD эквивалентно p⋅q=0p\cdot q=0p⋅q=0, и тогда ∣p+q∣2=∣p∣2+∣q∣2=∣p−q∣2,
|p+q|^2=|p|^2+|q|^2=|p-q|^2, ∣p+q∣2=∣p∣2+∣q∣2=∣p−q∣2,
т.е. все четыре стороны равны. Следовательно параллелограмм — ромб. Контрпримеры (показывают необходимость обеих исходных гипотез, если одну из них снять): - Если убрать условие ортогональности диагоналей, то при AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и ∣AB∣=∣CD∣|AB|=|CD|∣AB∣=∣CD∣ четырехугольник не обязателен параллелограммом: например A=(0,0), B=(1,0), C=(2,1), D=(3,1).
A=(0,0),\; B=(1,0),\; C=(2,1),\; D=(3,1). A=(0,0),B=(1,0),C=(2,1),D=(3,1).
Здесь AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD, ∣AB∣=∣CD∣=1|AB|=|CD|=1∣AB∣=∣CD∣=1, но BC≠ADBC\neq ADBC=AD, значит не параллелограмм; диагонали здесь не перпендикулярны. - Если убрать условие ∣AB∣=∣CD∣|AB|=|CD|∣AB∣=∣CD∣ (оставив только AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD), параллелограммом не обязаны быть (может получиться трапеция с перпендикулярными диагоналями). Вывод: при заданных в условии свойствах (и только при них) четырёхугольник обязательно параллелограмм, а т.к. в нём диагонали перпендикулярны, то он — ромб.
Доказательство (координатное, кратко). Положим A=(0,0)A=(0,0)A=(0,0), B=(b,0)B=(b,0)B=(b,0), где b=∣AB∣b=|AB|b=∣AB∣. Так как CD∥ABCD\parallel ABCD∥AB и ∣CD∣=b|CD|=b∣CD∣=b, координаты точек C,DC,DC,D можно записать как C=(x,h)C=(x,h)C=(x,h), D=(x−b,h)D=(x-b,h)D=(x−b,h) (вторая ориентация D=(x+b,h)D=(x+b,h)D=(x+b,h) будет рассмотрена ниже). Тогда
BC→=(x−b,h),AD→=(x−b,h), \overrightarrow{BC}=(x-b,h),\qquad \overrightarrow{AD}=(x-b,h),
BC=(x−b,h),AD=(x−b,h), и значит BC→=AD→\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AD}BC=AD, т.е. BC=ADBC=ADBC=AD и BC∥ADBC\parallel ADBC∥AD. Следовательно AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и BC∥ADBC\parallel ADBC∥AD — ABCDABCDABCD параллелограмм.
Осталось показать, что вторая ориентация D=(x+b,h)D=(x+b,h)D=(x+b,h) несовместима с условием перпендикулярности диагоналей. В этой ориентации
AC→=(x,h),BD→=(x,h), \overrightarrow{AC}=(x,h),\qquad \overrightarrow{BD}=(x,h),
AC=(x,h),BD=(x,h), и тогда скалярное произведение AC→⋅BD→=x2+h2\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=x^2+h^2AC⋅BD=x2+h2. Условие AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD даёт x2+h2=0x^2+h^2=0x2+h2=0, т.е. x=h=0x=h=0x=h=0 (вырожденный случай), который исключается. Следовательно единственно возможная (невырожденная) конфигурация даёт параллелограмм.
Переход к ромбу. В параллелограмме диагонали пересекаются в серединах; пусть OOO — точка пересечения. Введём половинные диагональные векторы p=12AC→p=\tfrac12\overrightarrow{AC}p=21 AC, q=12BD→q=\tfrac12\overrightarrow{BD}q=21 BD. Тогда четыре стороны параллелограмма равны векторам p+qp+qp+q, p−qp-qp−q, −p−q-p-q−p−q, −p+q-p+q−p+q. Условие AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD эквивалентно p⋅q=0p\cdot q=0p⋅q=0, и тогда
∣p+q∣2=∣p∣2+∣q∣2=∣p−q∣2, |p+q|^2=|p|^2+|q|^2=|p-q|^2,
∣p+q∣2=∣p∣2+∣q∣2=∣p−q∣2, т.е. все четыре стороны равны. Следовательно параллелограмм — ромб.
Контрпримеры (показывают необходимость обеих исходных гипотез, если одну из них снять):
- Если убрать условие ортогональности диагоналей, то при AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и ∣AB∣=∣CD∣|AB|=|CD|∣AB∣=∣CD∣ четырехугольник не обязателен параллелограммом: например
A=(0,0), B=(1,0), C=(2,1), D=(3,1). A=(0,0),\; B=(1,0),\; C=(2,1),\; D=(3,1).
A=(0,0),B=(1,0),C=(2,1),D=(3,1). Здесь AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD, ∣AB∣=∣CD∣=1|AB|=|CD|=1∣AB∣=∣CD∣=1, но BC≠ADBC\neq ADBC=AD, значит не параллелограмм; диагонали здесь не перпендикулярны.
- Если убрать условие ∣AB∣=∣CD∣|AB|=|CD|∣AB∣=∣CD∣ (оставив только AB∥CDAB\parallel CDAB∥CD и AC→⊥BD→\overrightarrow{AC}\perp\overrightarrow{BD}AC⊥BD), параллелограммом не обязаны быть (может получиться трапеция с перпендикулярными диагоналями).
Вывод: при заданных в условии свойствах (и только при них) четырёхугольник обязательно параллелограмм, а т.к. в нём диагонали перпендикулярны, то он — ромб.