Докажите или опровергните: если в выпуклом многоугольнике сумма противоположных углов равна 180°, то существует вписанная окружность; приведите контрпримеры и условия достаточности
Коротко: утверждение ложно. Контрпример и точные критерии ниже. Контрпример (самый простой). Прямоугольник со сторонами a≠ba\neq ba=b — выпуклый четырёхугольник, в котором суммы противоположных углов равны π\piπ (так как все углы по 90∘90^\circ90∘), но вписанная окружность существует лишь при a=ba=ba=b (т. е. только для квадрата). Действительно, центр потенциальной вписанной окружности должен быть равноудален от всех четырёх сторон; в прямоугольнике центр симметрии даёт расстояия a/2a/2a/2 и b/2b/2b/2, они равны только при a=ba=ba=b. Значит условие «сумма противоположных углов = 180∘180^\circ180∘» не даёт инклюзивности окружности. Правильные критерии существования вписанной окружности (касательной ко всем сторонам): 1) Необходимое и достаточное условие геометрическое: внутренние биссектрисы всех углов должны пересекаться в одной точке (центре вписанной окружности). Эквивалентно — существует точка, равномерно удалённая от всех сторон. 2) Условие через длины сторон. Обозначим стороны по порядку s1,…,sns_1,\dots,s_ns1,…,sn. Существование вписанной окружности равносильно существованию положительных «длинах касательных» x1,…,xn>0x_1,\dots,x_n>0x1,…,xn>0 таких, что для всех iiisi=xi+xi+1,xn+1=x1.
s_i = x_i + x_{i+1},\qquad x_{n+1}=x_1. si=xi+xi+1,xn+1=x1.
- Для нечётного nnn эта система имеет единственное решение (линейная система невырожденна); требуется дополнительно xi>0x_i>0xi>0. - Для чётного n=2mn=2mn=2m система разрешима (возможно с отрицательными решениями) тогда и только тогда, когда суммы чередующихся сторон равны: ∑k=1ms2k−1 = ∑k=1ms2k.
\sum_{k=1}^{m} s_{2k-1} \;=\; \sum_{k=1}^{m} s_{2k}. k=1∑ms2k−1=k=1∑ms2k.
Кроме этого нужно, чтобы найденные xix_ixi были положительны. Частный случай n=4n=4n=4 (четырёхугольник): вписанная окружность существует тогда и только тогда, когда s1+s3=s2+s4
s_1+s_3 = s_2+s_4 s1+s3=s2+s4
(теорема Пито). Отсюда видно, что условие «сумма противоположных углов = π\piπ» (оно равносильно цикличности четырёхугольника) не совпадает с условием Пито; для появления вписанной окружности оба условия вместе дают бицентрический (bicentric) четырёхугольник, но одно лишь дополнение углов не достаточно. Итого: утверждение опровергнуто (например прямоугольник a×ba\times ba×b, a≠ba\neq ba=b). Правильные критерии — пересечение всех биссектрис (эквивалентно — решение системы si=xi+xi+1s_i=x_i+x_{i+1}si=xi+xi+1 с xi>0x_i>0xi>0; для чётного числа сторон дополнительно нужна равенство сумм чередующихся сторон).
Контрпример (самый простой). Прямоугольник со сторонами a≠ba\neq ba=b — выпуклый четырёхугольник, в котором суммы противоположных углов равны π\piπ (так как все углы по 90∘90^\circ90∘), но вписанная окружность существует лишь при a=ba=ba=b (т. е. только для квадрата). Действительно, центр потенциальной вписанной окружности должен быть равноудален от всех четырёх сторон; в прямоугольнике центр симметрии даёт расстояия a/2a/2a/2 и b/2b/2b/2, они равны только при a=ba=ba=b. Значит условие «сумма противоположных углов = 180∘180^\circ180∘» не даёт инклюзивности окружности.
Правильные критерии существования вписанной окружности (касательной ко всем сторонам):
1) Необходимое и достаточное условие геометрическое: внутренние биссектрисы всех углов должны пересекаться в одной точке (центре вписанной окружности). Эквивалентно — существует точка, равномерно удалённая от всех сторон.
2) Условие через длины сторон. Обозначим стороны по порядку s1,…,sns_1,\dots,s_ns1 ,…,sn . Существование вписанной окружности равносильно существованию положительных «длинах касательных» x1,…,xn>0x_1,\dots,x_n>0x1 ,…,xn >0 таких, что для всех iii si=xi+xi+1,xn+1=x1. s_i = x_i + x_{i+1},\qquad x_{n+1}=x_1.
si =xi +xi+1 ,xn+1 =x1 . - Для нечётного nnn эта система имеет единственное решение (линейная система невырожденна); требуется дополнительно xi>0x_i>0xi >0.
- Для чётного n=2mn=2mn=2m система разрешима (возможно с отрицательными решениями) тогда и только тогда, когда суммы чередующихся сторон равны:
∑k=1ms2k−1 = ∑k=1ms2k. \sum_{k=1}^{m} s_{2k-1} \;=\; \sum_{k=1}^{m} s_{2k}.
k=1∑m s2k−1 =k=1∑m s2k . Кроме этого нужно, чтобы найденные xix_ixi были положительны.
Частный случай n=4n=4n=4 (четырёхугольник): вписанная окружность существует тогда и только тогда, когда
s1+s3=s2+s4 s_1+s_3 = s_2+s_4
s1 +s3 =s2 +s4 (теорема Пито). Отсюда видно, что условие «сумма противоположных углов = π\piπ» (оно равносильно цикличности четырёхугольника) не совпадает с условием Пито; для появления вписанной окружности оба условия вместе дают бицентрический (bicentric) четырёхугольник, но одно лишь дополнение углов не достаточно.
Итого: утверждение опровергнуто (например прямоугольник a×ba\times ba×b, a≠ba\neq ba=b). Правильные критерии — пересечение всех биссектрис (эквивалентно — решение системы si=xi+xi+1s_i=x_i+x_{i+1}si =xi +xi+1 с xi>0x_i>0xi >0; для чётного числа сторон дополнительно нужна равенство сумм чередующихся сторон).