На плоскости задан треугольник ABC и точка P вне него; исследуйте геометрическое место точек X на ребре BC, для которых отрезки AX, BX, CX образуют три треугольника с равными площадями, и докажите полученные утверждения
Обозначим через [UVW][UVW][UVW] площадь треугольника UVWUVWUVW. Пусть X∈BCX\in BCX∈BC и требуемые равенства выполняются: [PAX]=[PBX]=[PCX].
[PAX]=[PBX]=[PCX]. [PAX]=[PBX]=[PCX]. 1) Из равенства [PBX]=[PCX][PBX]=[PCX][PBX]=[PCX] следует [PBX][PBC]=BXBC,[PCX][PBC]=XCBC,
\frac{[PBX]}{[PBC]}=\frac{BX}{BC},\qquad \frac{[PCX]}{[PBC]}=\frac{XC}{BC}, [PBC][PBX]=BCBX,[PBC][PCX]=BCXC,
поэтому BX=XCBX=XCBX=XC. Значит XXX — середина отрезка BCBCBC. Обозначим её MMM. 2) Следовательно все три площади равны только возможно в точке MMM. Остаётся найти условие на PPP, при котором для X=MX=MX=M выполняется третье равенство [PAM]=[PBM][PAM]=[PBM][PAM]=[PBM]. Пусть h=d(P,BC)h=d(P,BC)h=d(P,BC) — расстояние от PPP до прямой BCBCBC. Тогда [PBM]=[PCM]=12⋅BM⋅h=12⋅BC2⋅h=BC⋅d(P,BC)4.
[PBM]=[PCM]=\tfrac12\cdot BM\cdot h=\tfrac12\cdot\frac{BC}{2}\cdot h=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{4}. [PBM]=[PCM]=21⋅BM⋅h=21⋅2BC⋅h=4BC⋅d(P,BC).
А [PAM]=12⋅AM⋅d(P,AM).
[PAM]=\tfrac12\cdot AM\cdot d(P,AM). [PAM]=21⋅AM⋅d(P,AM).
Поэтому равенство [PAM]=[PBM][PAM]=[PBM][PAM]=[PBM] эквивалентно условию AM⋅d(P,AM)=BC⋅d(P,BC)2.
AM\cdot d(P,AM)=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{2}. AM⋅d(P,AM)=2BC⋅d(P,BC). Вывод. Геометрическое место точек XXX на BCBCBC, для которых [PAX]=[PBX]=[PCX][PAX]=[PBX]=[PCX][PAX]=[PBX]=[PCX], состоит либо из единственной точки — середины MMM отрезка BCBCBC, либо пусто. Точка MMM принадлежит этому множеству тогда и только тогда, когда выполняется эквивалентное условие [PAM]=BC⋅d(P,BC)4,
[PAM]=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{4}, [PAM]=4BC⋅d(P,BC),
или, что то же самое, AM⋅d(P,AM)=BC⋅d(P,BC)2.
AM\cdot d(P,AM)=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{2}. AM⋅d(P,AM)=2BC⋅d(P,BC). (Для частных расположений PPP это условие можно переписать в координатах или в виде детерминанта площадей.)
[PAX]=[PBX]=[PCX]. [PAX]=[PBX]=[PCX].
[PAX]=[PBX]=[PCX].
1) Из равенства [PBX]=[PCX][PBX]=[PCX][PBX]=[PCX] следует
[PBX][PBC]=BXBC,[PCX][PBC]=XCBC, \frac{[PBX]}{[PBC]}=\frac{BX}{BC},\qquad \frac{[PCX]}{[PBC]}=\frac{XC}{BC},
[PBC][PBX] =BCBX ,[PBC][PCX] =BCXC , поэтому BX=XCBX=XCBX=XC. Значит XXX — середина отрезка BCBCBC. Обозначим её MMM.
2) Следовательно все три площади равны только возможно в точке MMM. Остаётся найти условие на PPP, при котором для X=MX=MX=M выполняется третье равенство [PAM]=[PBM][PAM]=[PBM][PAM]=[PBM].
Пусть h=d(P,BC)h=d(P,BC)h=d(P,BC) — расстояние от PPP до прямой BCBCBC. Тогда
[PBM]=[PCM]=12⋅BM⋅h=12⋅BC2⋅h=BC⋅d(P,BC)4. [PBM]=[PCM]=\tfrac12\cdot BM\cdot h=\tfrac12\cdot\frac{BC}{2}\cdot h=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{4}.
[PBM]=[PCM]=21 ⋅BM⋅h=21 ⋅2BC ⋅h=4BC⋅d(P,BC) . А
[PAM]=12⋅AM⋅d(P,AM). [PAM]=\tfrac12\cdot AM\cdot d(P,AM).
[PAM]=21 ⋅AM⋅d(P,AM). Поэтому равенство [PAM]=[PBM][PAM]=[PBM][PAM]=[PBM] эквивалентно условию
AM⋅d(P,AM)=BC⋅d(P,BC)2. AM\cdot d(P,AM)=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{2}.
AM⋅d(P,AM)=2BC⋅d(P,BC) .
Вывод. Геометрическое место точек XXX на BCBCBC, для которых [PAX]=[PBX]=[PCX][PAX]=[PBX]=[PCX][PAX]=[PBX]=[PCX], состоит либо из единственной точки — середины MMM отрезка BCBCBC, либо пусто. Точка MMM принадлежит этому множеству тогда и только тогда, когда выполняется эквивалентное условие
[PAM]=BC⋅d(P,BC)4, [PAM]=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{4},
[PAM]=4BC⋅d(P,BC) , или, что то же самое,
AM⋅d(P,AM)=BC⋅d(P,BC)2. AM\cdot d(P,AM)=\frac{BC\cdot d(P,BC)}{2}.
AM⋅d(P,AM)=2BC⋅d(P,BC) .
(Для частных расположений PPP это условие можно переписать в координатах или в виде детерминанта площадей.)