Постройте (описательно) все треугольники с целыми сторонами (a,b,c), для которых площадь выражается целым числом и одна из высот равна рациональному числу; какие населённые структуры (решётки) возникают при перечислении таких треугольников

17 Ноя в 10:09
4 +1
0
Ответы
1
Короткий ответ-идея и окончательная классификация.
1) Замечание (упрощающее условие). Пусть стороны целые a,b,ca,b,ca,b,c и площадь целая K∈ZK\in\mathbb ZKZ. Тогда высота к стороне aaa равна
ha=2Ka, h_a=\frac{2K}{a},
ha =a2K ,
то есть автоматически рациональна. Поэтому условие «площадь целая и одна из высот рациональна» эквивалентно просто условию «площадь целая» (Heron‑треугольники).
2) Удобная описательная параметризация. Введём целые числа
x=s−a,y=s−b,z=s−c, x=s-a,\quad y=s-b,\quad z=s-c,
x=sa,y=sb,z=sc,
где s=a+b+c2s=\dfrac{a+b+c}{2}s=2a+b+c — полу­периметр. Тогда
a=y+z,b=z+x,c=x+y, a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y,
a=y+z,b=z+x,c=x+y,
и площадь задаётся формулой Герона в виде
K=s(s−a)(s−b)(s−c)=(x+y+z) x y z. K=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}=\sqrt{(x+y+z)\,x\,y\,z}.
K=s(sa)(sb)(sc) =(x+y+z)xyz .
Следовательно Heron‑треугольники однозначно соответствуют тройкам положительных целых (x,y,z)(x,y,z)(x,y,z) таких, что
(x+y+z) x y z (x+y+z)\,x\,y\,z
(x+y+z)xyz
— полный квадрат. Это простая и исчерпывающая редукция задачи к диофантову условию.
3) Частная (удобная для построения) форма. Часто вводят факторизацию (после вычленения общих квадратных множителей) вида
x=qr,y=rp,z=pq x=qr,\qquad y=rp,\qquad z=pq
x=qr,y=rp,z=pq
с целыми p,q,r>0p,q,r>0p,q,r>0. Тогда
a=p(q+r),b=q(r+p),c=r(p+q), a=p(q+r),\quad b=q(r+p),\quad c=r(p+q),
a=p(q+r),b=q(r+p),c=r(p+q),
и
K=pqrpq+qr+rp. K=pqr\sqrt{pq+qr+rp}.
K=pqrpq+qr+rp .
Отсюда необходимое и достаточное условие для целой площади: существует целое ttt такое, что
pq+qr+rp=t2, pq+qr+rp=t^2,
pq+qr+rp=t2,
тогда K=pqrtK=pq r tK=pqrt — целое. Таким образом построение всех Heron‑треугольников сводится к поиску целых четверок (p,q,r,t)(p,q,r,t)(p,q,r,t) с pq+qr+rp=t2pq+qr+rp=t^2pq+qr+rp=t2; для каждой такой четверки треугольник с боками (p(q+r), q(r+p), r(p+q))(p(q+r),\,q(r+p),\,r(p+q))(p(q+r),q(r+p),r(p+q)) даёт пример, и всякий Heron‑треугольник получается (после выделения общих квадратов) в такой форме.
4) Примеры и семейства. Уравнение pq+qr+rp=t2pq+qr+rp=t^2pq+qr+rp=t2 имеет бесконечно много решений; даются как отдельные решения, так и параметрические семейства (например при специальных отношениях между p,q,rp,q,rp,q,r). Конкретные малые примеры: (a,b,c)=(3,4,5) (a,b,c)=(3,4,5)(a,b,c)=(3,4,5) — Heron ( K=6K=6K=6 ), (a,b,c)=(5,5,6) (a,b,c)=(5,5,6)(a,b,c)=(5,5,6) — Heron ( K=12K=12K=12 ) и т.д. (любой пример легко привести через x,y,zx,y,zx,y,z ).
5) Какие «решётки»/структуры возникают при перечислении. При естественном разбиении и упорядочивании видны следующие структуры:
- Разбиение на классы подобия: два целых треугольника подобны, если их стороны пропорциональны; каждый класс подобия содержит все целые кратные одного «примитивного» треугольника. Поэтому под отношением «T1T_1T1 делит T2T_2T2 (то есть стороны T2T_2T2 = kkk⋅стороны T1T_1T1 для целого kkk)» множество Heron‑треугольников распадается в дизъюнктное объединение цепей, изоморфных положительным целым числам (каждая примитивная фигура даёт бесконечную цепь её кратных). Это даёт простую частично упорядоченную структуру — семейство параллельных «лучей» (цепочек).
- Классы примитивных решений (модуль подобия) соответствуют целым решениям уравнения pq+qr+rp=t2pq+qr+rp=t^2pq+qr+rp=t2 (модуля перестановок и домножения на квадрат). Множество таких решений — счётно бесконечное; при параметризации оно выглядит как целочисленная поверхность (квазирешётка) в Z4\mathbb Z^4Z4. Поэтому при перечислении по параметрам возникает двумерная решётчатая структура (с параметрическими семействами и решётчатыми подсемействами), а при учёте масштабирования — дополнительное одномерное направление (мультипликативная цепочка).
- Дополнительные частичные порядки (например покомпонентная делимость между тройками (a,b,c)(a,b,c)(a,b,c)) дают более сложные решётчатые графы, но естественная и простая структура — это разбиение на классы подобия и цепочки их целых кратных.
Итого: все требуемые треугольники — это именно Heron‑треугольники; их описательная классификация даётся через тройки (x,y,z)(x,y,z)(x,y,z) с целыми x,y,zx,y,zx,y,z и условием (x+y+z)xyz(x+y+z)xyz(x+y+z)xyz — квадрат, или эквивалентно через параметризацию a=p(q+r), b=q(r+p), c=r(p+q)a=p(q+r),\;b=q(r+p),\;c=r(p+q)a=p(q+r),b=q(r+p),c=r(p+q) при целых p,q,rp,q,rp,q,r удовлетворяющих pq+qr+rp=t2pq+qr+rp=t^2pq+qr+rp=t2. При перечислении возникает естественное разбиение на классы подобия (примитивные треугольники) и их целые кратные — то есть система параллельных бесконечных цепочек; более тонкая параметризация даёт двумерные «решётчатые» семейства решений уравнения pq+qr+rp=t2pq+qr+rp=t^2pq+qr+rp=t2.
17 Ноя в 11:22
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир