В треугольнике ABC из вершины A опущены высоты на медиану и биссектрису; сформулируйте и докажите условие, при котором эти проекции совпадают по длине, и исследуйте геометрическое место точек A при заданной базе BC
Уточнение. Буду считать, что речь о медиане и биссектрисе, проведённых из одной и той же вершины B (т.е. рассматриваются прямые: медиана из B на AC и биссектриса угла B). Пусть из A опущены перпендикуляры на эти две прямые; обозначим их длины d1,d2d_1,d_2d1,d2. Найдём условие d1=d2d_1=d_2d1=d2 и исследуем геометрическое место точек AAA при фиксированном основании BCBCBC. Построение и обозначения. Положим B=(0,0), C=(c,0) (c>0), A=(x,y)B=(0,0),\;C=(c,0)\;(c>0),\;A=(x,y)B=(0,0),C=(c,0)(c>0),A=(x,y) и обозначим R=∣BA∣=x2+y2R=|BA|=\sqrt{x^2+y^2}R=∣BA∣=x2+y2, угол ∠ABC=θ\angle ABC=\theta∠ABC=θ (т.е. x=Rcosθ, y=Rsinθx=R\cos\theta,\;y=R\sin\thetax=Rcosθ,y=Rsinθ). Расчёт расстояний. Прямая медианы из BBB проходит через середину MMM отрезка ACACAC, её наклон равен m1=yx+cm_1=\dfrac{y}{x+c}m1=x+cy. Биссектриса угла BBB имеет направление с тангенсом tanθ2\tan\frac\theta2tan2θ, т.е. наклон m2=yx+Rm_2=\dfrac{y}{x+R}m2=x+Ry. Для прямой через BBB с наклоном mmm расстояние от A(x,y)A(x,y)A(x,y) равно ∣mx−y∣m2+1\dfrac{|m x-y|}{\sqrt{m^2+1}}m2+1∣mx−y∣. После упрощений получаем d1=Rc∣sinθ∣R2+2cRcosθ+c2,d2=R∣sinθ2∣.
d_1=\frac{R c|\sin\theta|}{\sqrt{R^2+2cR\cos\theta+c^2}},\qquad d_2=R|\sin\frac\theta2|. d1=R2+2cRcosθ+c2Rc∣sinθ∣,d2=R∣sin2θ∣. Равенство d1=d2d_1=d_2d1=d2 (при y≠0y\neq0y=0, т.е. невыравненном треугольнике) даёт после сокращения общих множителей и приведения к тригонометрическим формулам: cR2+2cRcosθ+c2=12cosθ2.
\frac{c}{\sqrt{R^2+2cR\cos\theta+c^2}}=\frac{1}{2\cos\frac\theta2}. R2+2cRcosθ+c2c=2cos2θ1.
Возведение в квадрат и упрощение с использованием cosθ=2cos2θ2−1\cos\theta=2\cos^2\frac\theta2-1cosθ=2cos22θ−1 даёт факторизацию (R−c)(R+c+2ccosθ)=0.
(R-c)\big(R+c+2c\cos\theta\big)=0. (R−c)(R+c+2ccosθ)=0. Итак, условие равенства длин проекций эквивалентно одному из двух случаев: 1) R=cR= cR=c, т.е. AB=BCAB=BCAB=BC; 2) R+c+2ccosθ=0R+c+2c\cos\theta=0R+c+2ccosθ=0, т.е. AB=− BC(1+2cos∠ABC).
AB = -\,BC\big(1+2\cos\angle ABC\big). AB=−BC(1+2cos∠ABC). Геометрическое место точек AAA при фиксированном отрезке BCBCBC. - Ветка 1: AB=BC\;AB=BCAB=BC. Это окружность с центром в BBB и радиусом BCBCBC (без точек на прямой BCBCBC, если исключить вырожденные случаи). - Ветка 2: точки AAA в полярных координатах относительно BBB удовлетворяют уравнению r(θ)=− BC(1+2cosθ),
r(\theta)=-\,BC\big(1+2\cos\theta\big), r(θ)=−BC(1+2cosθ),
где r=∣BA∣r=|BA|r=∣BA∣, θ=∠ABC\theta=\angle ABCθ=∠ABC. В декартовых координатах это эквивалентно уравнению x2+y2+BCx2+y2+2BC x=0.
x^2+y^2+BC\sqrt{x^2+y^2}+2BC\,x=0. x2+y2+BCx2+y2+2BCx=0.
(Это не окружность в общем случае; второе уравнение задаёт замкнутую кривую, симметричную относительно прямой BCBCBC; реализация точек возможна лишь при тех θ\thetaθ, для которых правая часть даёт r>0r>0r>0.) Замечания и исключения. Случай y=0y=0y=0 (точка AAA лежит на BCBCBC) даёт тривиальные вырожденные проекции и рассматривается отдельно; при выводе мы предполагали y≠0y\neq0y=0. Вторая ветка возможна лишь при таких углах BBB, где −BC(1+2cosB)>0-BC(1+2\cos B)>0−BC(1+2cosB)>0 (т.е. cosB<−12\cos B<-\tfrac12cosB<−21, B>120∘B>120^\circB>120∘) — тогда соответствующие AAA реально существуют. Таким образом: проекции равны тогда и только тогда, когда либо AB=BCAB=BCAB=BC, либо AAA принадлежит кривой, задаваемой полярным уравнением r=−BC(1+2cosθ)r=-BC(1+2\cos\theta)r=−BC(1+2cosθ) (второй случай реализуется только при подходящих углах BBB).
Построение и обозначения. Положим B=(0,0), C=(c,0) (c>0), A=(x,y)B=(0,0),\;C=(c,0)\;(c>0),\;A=(x,y)B=(0,0),C=(c,0)(c>0),A=(x,y) и обозначим R=∣BA∣=x2+y2R=|BA|=\sqrt{x^2+y^2}R=∣BA∣=x2+y2 , угол ∠ABC=θ\angle ABC=\theta∠ABC=θ (т.е. x=Rcosθ, y=Rsinθx=R\cos\theta,\;y=R\sin\thetax=Rcosθ,y=Rsinθ).
Расчёт расстояний. Прямая медианы из BBB проходит через середину MMM отрезка ACACAC, её наклон равен m1=yx+cm_1=\dfrac{y}{x+c}m1 =x+cy . Биссектриса угла BBB имеет направление с тангенсом tanθ2\tan\frac\theta2tan2θ , т.е. наклон m2=yx+Rm_2=\dfrac{y}{x+R}m2 =x+Ry . Для прямой через BBB с наклоном mmm расстояние от A(x,y)A(x,y)A(x,y) равно ∣mx−y∣m2+1\dfrac{|m x-y|}{\sqrt{m^2+1}}m2+1 ∣mx−y∣ . После упрощений получаем
d1=Rc∣sinθ∣R2+2cRcosθ+c2,d2=R∣sinθ2∣. d_1=\frac{R c|\sin\theta|}{\sqrt{R^2+2cR\cos\theta+c^2}},\qquad
d_2=R|\sin\frac\theta2|.
d1 =R2+2cRcosθ+c2 Rc∣sinθ∣ ,d2 =R∣sin2θ ∣.
Равенство d1=d2d_1=d_2d1 =d2 (при y≠0y\neq0y=0, т.е. невыравненном треугольнике) даёт после сокращения общих множителей и приведения к тригонометрическим формулам:
cR2+2cRcosθ+c2=12cosθ2. \frac{c}{\sqrt{R^2+2cR\cos\theta+c^2}}=\frac{1}{2\cos\frac\theta2}.
R2+2cRcosθ+c2 c =2cos2θ 1 . Возведение в квадрат и упрощение с использованием cosθ=2cos2θ2−1\cos\theta=2\cos^2\frac\theta2-1cosθ=2cos22θ −1 даёт факторизацию
(R−c)(R+c+2ccosθ)=0. (R-c)\big(R+c+2c\cos\theta\big)=0.
(R−c)(R+c+2ccosθ)=0.
Итак, условие равенства длин проекций эквивалентно одному из двух случаев:
1) R=cR= cR=c, т.е. AB=BCAB=BCAB=BC;
2) R+c+2ccosθ=0R+c+2c\cos\theta=0R+c+2ccosθ=0, т.е.
AB=− BC(1+2cos∠ABC). AB = -\,BC\big(1+2\cos\angle ABC\big).
AB=−BC(1+2cos∠ABC).
Геометрическое место точек AAA при фиксированном отрезке BCBCBC.
- Ветка 1: AB=BC\;AB=BCAB=BC. Это окружность с центром в BBB и радиусом BCBCBC (без точек на прямой BCBCBC, если исключить вырожденные случаи).
- Ветка 2: точки AAA в полярных координатах относительно BBB удовлетворяют уравнению
r(θ)=− BC(1+2cosθ), r(\theta)=-\,BC\big(1+2\cos\theta\big),
r(θ)=−BC(1+2cosθ), где r=∣BA∣r=|BA|r=∣BA∣, θ=∠ABC\theta=\angle ABCθ=∠ABC. В декартовых координатах это эквивалентно уравнению
x2+y2+BCx2+y2+2BC x=0. x^2+y^2+BC\sqrt{x^2+y^2}+2BC\,x=0.
x2+y2+BCx2+y2 +2BCx=0. (Это не окружность в общем случае; второе уравнение задаёт замкнутую кривую, симметричную относительно прямой BCBCBC; реализация точек возможна лишь при тех θ\thetaθ, для которых правая часть даёт r>0r>0r>0.)
Замечания и исключения. Случай y=0y=0y=0 (точка AAA лежит на BCBCBC) даёт тривиальные вырожденные проекции и рассматривается отдельно; при выводе мы предполагали y≠0y\neq0y=0. Вторая ветка возможна лишь при таких углах BBB, где −BC(1+2cosB)>0-BC(1+2\cos B)>0−BC(1+2cosB)>0 (т.е. cosB<−12\cos B<-\tfrac12cosB<−21 , B>120∘B>120^\circB>120∘) — тогда соответствующие AAA реально существуют.
Таким образом: проекции равны тогда и только тогда, когда либо AB=BCAB=BCAB=BC, либо AAA принадлежит кривой, задаваемой полярным уравнением r=−BC(1+2cosθ)r=-BC(1+2\cos\theta)r=−BC(1+2cosθ) (второй случай реализуется только при подходящих углах BBB).