Дан треугольник ABC. Докажите или опровергните, что треугольник, образованный медианами ABC, всегда остроугольный, и исследуйте зависимость его углов и сторон от параметров исходного треугольника
Короткий ответ: нет, не всегда. Ниже — доказательство, критерии и зависимость углов/сторон. 1) Формулы для медиан. Обозначим стороны исходного треугольника a=BC, b=CA, c=ABa=BC,\; b=CA,\; c=ABa=BC,b=CA,c=AB. Тогда длины медиан равны ma=122b2+2c2−a2,mb=122c2+2a2−b2,mc=122a2+2b2−c2.
m_a=\tfrac12\sqrt{2b^2+2c^2-a^2},\qquad m_b=\tfrac12\sqrt{2c^2+2a^2-b^2},\qquad m_c=\tfrac12\sqrt{2a^2+2b^2-c^2}. ma=212b2+2c2−a2,mb=212c2+2a2−b2,mc=212a2+2b2−c2. 2) Критерий остроты/тупости. Для треугольника с сторонами ma,mb,mcm_a,m_b,m_cma,mb,mc условие, что угол напротив mcm_cmc острый, эквивалентно ma2+mb2>mc2.
m_a^2+m_b^2>m_c^2. ma2+mb2>mc2.
Подставляя формулы медиан, получаем простое выражение ma2+mb2−mc2=14(5c2−a2−b2).
m_a^2+m_b^2-m_c^2=\tfrac14(5c^2-a^2-b^2). ma2+mb2−mc2=41(5c2−a2−b2).
Следовательно треугольник медиан будет остроугольным тогда и только тогда, когда выполняются все три неравенства 5a2>b2+c2,5b2>c2+a2,5c2>a2+b2.
5a^2>b^2+c^2,\qquad 5b^2>c^2+a^2,\qquad 5c^2>a^2+b^2. 5a2>b2+c2,5b2>c2+a2,5c2>a2+b2.
Аналогично правоугольность по стороне mcm_cmc соответствует равенству 5c2=a2+b25c^2=a^2+b^25c2=a2+b2; тупость возникает, если для некоторой стороны, скажем ccc, выполняется 5c2<a2+b25c^2<a^2+b^25c2<a2+b2. 3) Контрпример (простой). Пусть a=b=1, c=0.1a=b=1,\; c=0.1a=b=1,c=0.1. Тогда ma=mb≈0.505,mc≈0.999,
m_a=m_b\approx0.505,\qquad m_c\approx0.999, ma=mb≈0.505,mc≈0.999,
и действительно mc2>ma2+mb2m_c^2>m_a^2+m_b^2mc2>ma2+mb2, поэтому треугольник медиан — тупой. 4) Углы треугольника медиан через стороны исходного. Обозначим угол медианного треугольника напротив стороны mam_ama как αm\alpha_mαm. Тогда по теореме косинусов cosαm=mb2+mc2−ma22mbmc=5a2−b2−c24 mbmc,
\cos\alpha_m=\frac{m_b^2+m_c^2-m_a^2}{2m_bm_c}=\frac{5a^2-b^2-c^2}{4\,m_bm_c}, cosαm=2mbmcmb2+mc2−ma2=4mbmc5a2−b2−c2,
и аналогичные формулы для остальных углов. То есть углы треугольника медиан выражаются рационально (через корни) через квадраты сторон a,b,ca,b,ca,b,c. 5) Дополнительные замечания о зависимости: - Стороны треугольника медиан — непрерывные функции от a,b,ca,b,ca,b,c и заданы формулами из пункта 1. - Если одна сторона исходного треугольника становится очень маленькой относительно двух других, то соответствующая медиана оказывается примерно равной сумме других двух медиан и треугольник медиан стремится к тупому (см. контрпример). - В особых случаях: при равностороннем треугольнике медианы равны и треугольник медиан равносторонний; правоугольность медианного треугольника эквивалентна приведённому условию 5x2=5x^2=5x2= сумма квадратов прочих двух сторон. 6) Ещё полезная связь по площадям: площадь треугольника, стороны которого равны медианам исходного треугольника, равна 34\tfrac3443 площади исходного треугольника. Вывод: утверждение «треугольник, образованный медианами, всегда остроугольный» неверно; точный критерий остроты даётся неравенствами 5a2>b2+c25a^2>b^2+c^25a2>b2+c2 (и циклически).
1) Формулы для медиан. Обозначим стороны исходного треугольника a=BC, b=CA, c=ABa=BC,\; b=CA,\; c=ABa=BC,b=CA,c=AB. Тогда длины медиан равны
ma=122b2+2c2−a2,mb=122c2+2a2−b2,mc=122a2+2b2−c2. m_a=\tfrac12\sqrt{2b^2+2c^2-a^2},\qquad
m_b=\tfrac12\sqrt{2c^2+2a^2-b^2},\qquad
m_c=\tfrac12\sqrt{2a^2+2b^2-c^2}.
ma =21 2b2+2c2−a2 ,mb =21 2c2+2a2−b2 ,mc =21 2a2+2b2−c2 .
2) Критерий остроты/тупости. Для треугольника с сторонами ma,mb,mcm_a,m_b,m_cma ,mb ,mc условие, что угол напротив mcm_cmc острый, эквивалентно
ma2+mb2>mc2. m_a^2+m_b^2>m_c^2.
ma2 +mb2 >mc2 . Подставляя формулы медиан, получаем простое выражение
ma2+mb2−mc2=14(5c2−a2−b2). m_a^2+m_b^2-m_c^2=\tfrac14(5c^2-a^2-b^2).
ma2 +mb2 −mc2 =41 (5c2−a2−b2). Следовательно треугольник медиан будет остроугольным тогда и только тогда, когда выполняются все три неравенства
5a2>b2+c2,5b2>c2+a2,5c2>a2+b2. 5a^2>b^2+c^2,\qquad 5b^2>c^2+a^2,\qquad 5c^2>a^2+b^2.
5a2>b2+c2,5b2>c2+a2,5c2>a2+b2. Аналогично правоугольность по стороне mcm_cmc соответствует равенству 5c2=a2+b25c^2=a^2+b^25c2=a2+b2; тупость возникает, если для некоторой стороны, скажем ccc, выполняется 5c2<a2+b25c^2<a^2+b^25c2<a2+b2.
3) Контрпример (простой). Пусть a=b=1, c=0.1a=b=1,\; c=0.1a=b=1,c=0.1. Тогда
ma=mb≈0.505,mc≈0.999, m_a=m_b\approx0.505,\qquad m_c\approx0.999,
ma =mb ≈0.505,mc ≈0.999, и действительно mc2>ma2+mb2m_c^2>m_a^2+m_b^2mc2 >ma2 +mb2 , поэтому треугольник медиан — тупой.
4) Углы треугольника медиан через стороны исходного. Обозначим угол медианного треугольника напротив стороны mam_ama как αm\alpha_mαm . Тогда по теореме косинусов
cosαm=mb2+mc2−ma22mbmc=5a2−b2−c24 mbmc, \cos\alpha_m=\frac{m_b^2+m_c^2-m_a^2}{2m_bm_c}=\frac{5a^2-b^2-c^2}{4\,m_bm_c},
cosαm =2mb mc mb2 +mc2 −ma2 =4mb mc 5a2−b2−c2 , и аналогичные формулы для остальных углов. То есть углы треугольника медиан выражаются рационально (через корни) через квадраты сторон a,b,ca,b,ca,b,c.
5) Дополнительные замечания о зависимости:
- Стороны треугольника медиан — непрерывные функции от a,b,ca,b,ca,b,c и заданы формулами из пункта 1.
- Если одна сторона исходного треугольника становится очень маленькой относительно двух других, то соответствующая медиана оказывается примерно равной сумме других двух медиан и треугольник медиан стремится к тупому (см. контрпример).
- В особых случаях: при равностороннем треугольнике медианы равны и треугольник медиан равносторонний; правоугольность медианного треугольника эквивалентна приведённому условию 5x2=5x^2=5x2= сумма квадратов прочих двух сторон.
6) Ещё полезная связь по площадям: площадь треугольника, стороны которого равны медианам исходного треугольника, равна 34\tfrac3443 площади исходного треугольника.
Вывод: утверждение «треугольник, образованный медианами, всегда остроугольный» неверно; точный критерий остроты даётся неравенствами 5a2>b2+c25a^2>b^2+c^25a2>b2+c2 (и циклически).