Классическая задача: для данного острого треугольника ABC провести высоты и рассмотреть ортоцентр H. Исследуйте геометрические свойства треугольников, образованных пересечениями прямых через H с вершинами, и опишите условия их подобия с исходным треугольником
Кратко и по пунктам. Обозначим высоты: из AAA на BCBCBC — точка A1A_1A1, из BBB на CACACA — B1B_1B1, из CCC на ABABAB. Ортоцентр — HHH. 1) Ортический (ортальный, «треугольник высот») A1B1C1A_1B_1C_1A1B1C1. - Углы: ∠B1A1C1=180∘−2A, ∠C1B1A1=180∘−2B, ∠A1C1B1=180∘−2C.\angle B_1A_1C_1=180^\circ-2A,\;\angle C_1B_1A_1=180^\circ-2B,\;\angle A_1C_1B_1=180^\circ-2C.∠B1A1C1=180∘−2A,∠C1B1A1=180∘−2B,∠A1C1B1=180∘−2C.
- Геометрические свойства: HHH — инцентр треугольника A1B1C1A_1B_1C_1A1B1C1; вершины A,B,CA,B,CA,B,C являются соответствующими эксцентрами этого треугольника. - Условие подобия с ABCABCABC: нужно, чтобы множества углов совпали, т.е. {180∘−2A,180∘−2B,180∘−2C}={A,B,C}\{180^\circ-2A,180^\circ-2B,180^\circ-2C\}=\{A,B,C\}{180∘−2A,180∘−2B,180∘−2C}={A,B,C}. Это даёт систему, из которой в остром случае единственное решение A=B=C=60∘A=B=C=60^\circA=B=C=60∘. Следовательно, A1B1C1∼ABCA_1B_1C_1\sim ABCA1B1C1∼ABC тогда и только тогда, когда ABCABCABC равносторонний. 2) Треугольники с центром в ортоцентре: AHB, BHC, CHAAHB,\;BHC,\;CHAAHB,BHC,CHA. - Углы, например для BHCBHCBHC: ∠BHC=180∘−A, ∠HBC=90∘−C, ∠HCB=90∘−B.\angle BHC=180^\circ-A,\;\angle HBC=90^\circ-C,\;\angle HCB=90^\circ-B.∠BHC=180∘−A,∠HBC=90∘−C,∠HCB=90∘−B.
- Подобие с ABCABCABC невозможно при остром треугольнике: для того чтобы, например, BHC∼ABCBHC\sim ABCBHC∼ABC, пришлось бы понимать равенство углов вида 180∘−A=A180^\circ-A=A180∘−A=A или 180∘−A=B180^\circ-A=B180∘−A=B и т.п., что даёт либо A=90∘A=90^\circA=90∘ (неострый случай), либо сумма двух углов ≥180∘\ge 180^\circ≥180∘ (невозможно). Таким образом в остром случае ни один из трёх треугольников AHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHA не подобен ABCABCABC. 3) Треугольники, составленные из одной исходной вершины и двух оснований высот, например AB1C1AB_1C_1AB1C1 (вершина AAA и основания высот из BBB и CCC). - Углы: ∠B1AC1=A, ∠AB1C1=90∘−B, ∠AC1B1=90∘−C.\angle B_1AC_1=A,\;\angle AB_1C_1=90^\circ-B,\;\angle AC_1B_1=90^\circ-C.∠B1AC1=A,∠AB1C1=90∘−B,∠AC1B1=90∘−C.
- Для подобия с ABCABCABC требовалось бы совпадение наборов {A,90∘−B,90∘−C}\{A,90^\circ-B,90^\circ-C\}{A,90∘−B,90∘−C} и {A,B,C}\{A,B,C\}{A,B,C}. В остром треугольнике это даёт противоречия (единственный случай вне острого класса — наличие прямого угла). Поэтому при остром ABCABCABC такие треугольники не подобны ABCABCABC (опять же единственный тривиальный совместный случай — вырожденные/правые или равносторонние конфигурации). 4) Отражения ортоцентра по сторонам: пусть Ha,Hb,HcH_a,H_b,H_cHa,Hb,Hc — отражения HHH относительно BC,CA,ABBC,CA,ABBC,CA,AB. - Известно: точки Ha,Hb,HcH_a,H_b,H_cHa,Hb,Hc лежат на описанной окружности треугольника ABCABCABC. (Это классический факт: отражение ортоцентра относительно стороны лежит на описанной окружности.) - Следствия: треугольник HaHbHcH_aH_bH_cHaHbHc — вписанный в ту же окружность; его углы связаны с углами ABCABCABC теми же выражениями, что и для ортального треугольника (через удвоенные дополнения), и потому подобие с ABCABCABC снова возможно только в вырожденных/симметричных частных случаях (в частности, равностороннем). Вывод (сводка). Из основных треугольников, естественно возникающих при проведении высот и рассмотрении ортоцентра (ортальный треугольник A1B1C1A_1B_1C_1A1B1C1, треугольники AHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHA, треугольники вида AB1C1AB_1C_1AB1C1 и треугольник отражений HaHbHcH_aH_bH_cHaHbHc), все имеют легко выражаемые через A,B,CA,B,CA,B,C углы (см. формулы выше). В остром случае никакие из этих треугольников не будут подобны исходному ABCABCABC, за исключением частного случая равностороннего ABCABCABC (тогда ортальный и многие другие треугольники совпадают по форме).
1) Ортический (ортальный, «треугольник высот») A1B1C1A_1B_1C_1A1 B1 C1 .
- Углы: ∠B1A1C1=180∘−2A, ∠C1B1A1=180∘−2B, ∠A1C1B1=180∘−2C.\angle B_1A_1C_1=180^\circ-2A,\;\angle C_1B_1A_1=180^\circ-2B,\;\angle A_1C_1B_1=180^\circ-2C.∠B1 A1 C1 =180∘−2A,∠C1 B1 A1 =180∘−2B,∠A1 C1 B1 =180∘−2C. - Геометрические свойства: HHH — инцентр треугольника A1B1C1A_1B_1C_1A1 B1 C1 ; вершины A,B,CA,B,CA,B,C являются соответствующими эксцентрами этого треугольника.
- Условие подобия с ABCABCABC: нужно, чтобы множества углов совпали, т.е. {180∘−2A,180∘−2B,180∘−2C}={A,B,C}\{180^\circ-2A,180^\circ-2B,180^\circ-2C\}=\{A,B,C\}{180∘−2A,180∘−2B,180∘−2C}={A,B,C}. Это даёт систему, из которой в остром случае единственное решение A=B=C=60∘A=B=C=60^\circA=B=C=60∘. Следовательно, A1B1C1∼ABCA_1B_1C_1\sim ABCA1 B1 C1 ∼ABC тогда и только тогда, когда ABCABCABC равносторонний.
2) Треугольники с центром в ортоцентре: AHB, BHC, CHAAHB,\;BHC,\;CHAAHB,BHC,CHA.
- Углы, например для BHCBHCBHC: ∠BHC=180∘−A, ∠HBC=90∘−C, ∠HCB=90∘−B.\angle BHC=180^\circ-A,\;\angle HBC=90^\circ-C,\;\angle HCB=90^\circ-B.∠BHC=180∘−A,∠HBC=90∘−C,∠HCB=90∘−B. - Подобие с ABCABCABC невозможно при остром треугольнике: для того чтобы, например, BHC∼ABCBHC\sim ABCBHC∼ABC, пришлось бы понимать равенство углов вида 180∘−A=A180^\circ-A=A180∘−A=A или 180∘−A=B180^\circ-A=B180∘−A=B и т.п., что даёт либо A=90∘A=90^\circA=90∘ (неострый случай), либо сумма двух углов ≥180∘\ge 180^\circ≥180∘ (невозможно). Таким образом в остром случае ни один из трёх треугольников AHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHA не подобен ABCABCABC.
3) Треугольники, составленные из одной исходной вершины и двух оснований высот, например AB1C1AB_1C_1AB1 C1 (вершина AAA и основания высот из BBB и CCC).
- Углы: ∠B1AC1=A, ∠AB1C1=90∘−B, ∠AC1B1=90∘−C.\angle B_1AC_1=A,\;\angle AB_1C_1=90^\circ-B,\;\angle AC_1B_1=90^\circ-C.∠B1 AC1 =A,∠AB1 C1 =90∘−B,∠AC1 B1 =90∘−C. - Для подобия с ABCABCABC требовалось бы совпадение наборов {A,90∘−B,90∘−C}\{A,90^\circ-B,90^\circ-C\}{A,90∘−B,90∘−C} и {A,B,C}\{A,B,C\}{A,B,C}. В остром треугольнике это даёт противоречия (единственный случай вне острого класса — наличие прямого угла). Поэтому при остром ABCABCABC такие треугольники не подобны ABCABCABC (опять же единственный тривиальный совместный случай — вырожденные/правые или равносторонние конфигурации).
4) Отражения ортоцентра по сторонам: пусть Ha,Hb,HcH_a,H_b,H_cHa ,Hb ,Hc — отражения HHH относительно BC,CA,ABBC,CA,ABBC,CA,AB.
- Известно: точки Ha,Hb,HcH_a,H_b,H_cHa ,Hb ,Hc лежат на описанной окружности треугольника ABCABCABC. (Это классический факт: отражение ортоцентра относительно стороны лежит на описанной окружности.)
- Следствия: треугольник HaHbHcH_aH_bH_cHa Hb Hc — вписанный в ту же окружность; его углы связаны с углами ABCABCABC теми же выражениями, что и для ортального треугольника (через удвоенные дополнения), и потому подобие с ABCABCABC снова возможно только в вырожденных/симметричных частных случаях (в частности, равностороннем).
Вывод (сводка). Из основных треугольников, естественно возникающих при проведении высот и рассмотрении ортоцентра (ортальный треугольник A1B1C1A_1B_1C_1A1 B1 C1 , треугольники AHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHAAHB,BHC,CHA, треугольники вида AB1C1AB_1C_1AB1 C1 и треугольник отражений HaHbHcH_aH_bH_cHa Hb Hc ), все имеют легко выражаемые через A,B,CA,B,CA,B,C углы (см. формулы выше). В остром случае никакие из этих треугольников не будут подобны исходному ABCABCABC, за исключением частного случая равностороннего ABCABCABC (тогда ортальный и многие другие треугольники совпадают по форме).