Дано выпуклое четырехугольник ABCD; постройте (геометрически, без измерений) точку P внутри, такую что суммы расстояний от P до противоположных сторон равны, и обсудите единственность и зависимость от формы четырехугольника
Краткий ответ (с пояснениями). Обозначим через dAB(X)d_{AB}(X)dAB(X) расстояние от точки XXX до прямой ABABAB и т.п. Рассмотрим функцию F(X)=dAB(X)+dCD(X)−(dBC(X)+dAD(X)).
F(X)=d_{AB}(X)+d_{CD}(X)-\bigl(d_{BC}(X)+d_{AD}(X)\bigr). F(X)=dAB(X)+dCD(X)−(dBC(X)+dAD(X)).
1) Линейность и геометрическая интерпретация. Для фиксированных прямых выражение dl(X)d_{l}(X)dl(X) — аффинная (линейная сдвинутая) функция от координат XXX. Следовательно F(X)F(X)F(X) — аффинная функция, и множество её нулей {X∣F(X)=0}\{X\mid F(X)=0\}{X∣F(X)=0} — либо вся плоскость (если F≡0F\equiv0F≡0), либо прямая, либо пусто (если FFF постоянна и ненулевая). 2) Строение (без измерений). Желаем построить прямую решений; дальше любой её внутренний точке будет искомой PPP (если прямая пересекает внутренность четырёхугольника). - Через какую‑нибудь опорную точку OOO опустите перпендикуляры на прямые AB,BC,CD,ADAB,BC,CD,ADAB,BC,CD,AD и скопируйте (компасом) эти отрезки расстояний вдоль выбранных перпендикуляров (так можно складывать и вычитать отрезки без измерения). - Геометрически можно получить векторное представление линейной части FFF как сумму нормалей: векторный коэффициент градиента vvv пропорционален nAB+nCD−nBC−nADn_{AB}+n_{CD}-n_{BC}-n_{AD}nAB+nCD−nBC−nAD (где nln_{l}nl — единичный вектор, нормальный к прямой lll, направленный по выбранной ориентации). Конструкция вектора vvv делается сложением/вычитанием равных единичных векторов, построенных перпендикулярно соответствующим сторонам (копированием равных отрезков и параллельным переносом — всё это классические циркуль‑линейные операции). - Направление искомой прямой — перпендикулярно vvv. Для сдвига прямой от нуля до нужного положения вычислите значение F(O)F(O)F(O) (суммированием и вычитанием построенных отрезков); затем сдвиньте перпендикуляр к vvv от точки OOO в ту или иную сторону на расстояние, пропорциональное F(O)/∥v∥F(O)/\|v\|F(O)/∥v∥ (т.е. постройте параллельную линию на соответствующем шаге с использованием копирования отрезков). Эта прямая и будет множеством точек, где суммы расстояний равны. 3) Единственность и зависимость от формы: - Если векторный коэффициент v≠0v\neq0v=0, то множество решений — прямая. Внутри выпуклого четырёхугольника пересечение этой прямой с его внутренностью либо пусто, либо даёт бесконечно много решений (отрезок прямой внутри фигуры). В этом смысле решение не обязательно единственно. - Если v=0v=0v=0 и одновременно постоянный член =0=0=0 (то есть F≡0F\equiv0F≡0), то равенство выполняется для всех точек плоскости (в частности для всех точек внутри квадрилатера). Это происходит, например, в квадрате (расстояния между противоположными прямыми совпадают). - Если v=0v=0v=0 но постоянный член ≠0\neq0=0, то FFF постоянна ненулевая и решений нет (пример: прямоугольник с разными сторонами: суммы расстояний по вертикальной паре и по горизонтальной паре — разные константы, поэтому равенство невозможно). Итого: конструктивно вы строите прямую решений (поскольку нули аффинной функции образуют прямую) и берёте её пересечение с внутренностью квадрилатера. В зависимости от формы квадрилатера возможны три случая: нет решения, множество решений (отрезок или вся внутренняя область), либо прямая решений не пересекает внутренность.
Обозначим через dAB(X)d_{AB}(X)dAB (X) расстояние от точки XXX до прямой ABABAB и т.п. Рассмотрим функцию
F(X)=dAB(X)+dCD(X)−(dBC(X)+dAD(X)). F(X)=d_{AB}(X)+d_{CD}(X)-\bigl(d_{BC}(X)+d_{AD}(X)\bigr).
F(X)=dAB (X)+dCD (X)−(dBC (X)+dAD (X)). 1) Линейность и геометрическая интерпретация. Для фиксированных прямых выражение dl(X)d_{l}(X)dl (X) — аффинная (линейная сдвинутая) функция от координат XXX. Следовательно F(X)F(X)F(X) — аффинная функция, и множество её нулей {X∣F(X)=0}\{X\mid F(X)=0\}{X∣F(X)=0} — либо вся плоскость (если F≡0F\equiv0F≡0), либо прямая, либо пусто (если FFF постоянна и ненулевая).
2) Строение (без измерений). Желаем построить прямую решений; дальше любой её внутренний точке будет искомой PPP (если прямая пересекает внутренность четырёхугольника).
- Через какую‑нибудь опорную точку OOO опустите перпендикуляры на прямые AB,BC,CD,ADAB,BC,CD,ADAB,BC,CD,AD и скопируйте (компасом) эти отрезки расстояний вдоль выбранных перпендикуляров (так можно складывать и вычитать отрезки без измерения).
- Геометрически можно получить векторное представление линейной части FFF как сумму нормалей: векторный коэффициент градиента vvv пропорционален nAB+nCD−nBC−nADn_{AB}+n_{CD}-n_{BC}-n_{AD}nAB +nCD −nBC −nAD (где nln_{l}nl — единичный вектор, нормальный к прямой lll, направленный по выбранной ориентации). Конструкция вектора vvv делается сложением/вычитанием равных единичных векторов, построенных перпендикулярно соответствующим сторонам (копированием равных отрезков и параллельным переносом — всё это классические циркуль‑линейные операции).
- Направление искомой прямой — перпендикулярно vvv. Для сдвига прямой от нуля до нужного положения вычислите значение F(O)F(O)F(O) (суммированием и вычитанием построенных отрезков); затем сдвиньте перпендикуляр к vvv от точки OOO в ту или иную сторону на расстояние, пропорциональное F(O)/∥v∥F(O)/\|v\|F(O)/∥v∥ (т.е. постройте параллельную линию на соответствующем шаге с использованием копирования отрезков). Эта прямая и будет множеством точек, где суммы расстояний равны.
3) Единственность и зависимость от формы:
- Если векторный коэффициент v≠0v\neq0v=0, то множество решений — прямая. Внутри выпуклого четырёхугольника пересечение этой прямой с его внутренностью либо пусто, либо даёт бесконечно много решений (отрезок прямой внутри фигуры). В этом смысле решение не обязательно единственно.
- Если v=0v=0v=0 и одновременно постоянный член =0=0=0 (то есть F≡0F\equiv0F≡0), то равенство выполняется для всех точек плоскости (в частности для всех точек внутри квадрилатера). Это происходит, например, в квадрате (расстояния между противоположными прямыми совпадают).
- Если v=0v=0v=0 но постоянный член ≠0\neq0=0, то FFF постоянна ненулевая и решений нет (пример: прямоугольник с разными сторонами: суммы расстояний по вертикальной паре и по горизонтальной паре — разные константы, поэтому равенство невозможно).
Итого: конструктивно вы строите прямую решений (поскольку нули аффинной функции образуют прямую) и берёте её пересечение с внутренностью квадрилатера. В зависимости от формы квадрилатера возможны три случая: нет решения, множество решений (отрезок или вся внутренняя область), либо прямая решений не пересекает внутренность.