Дан произвольный треугольник ABC; исследуйте условие, при котором сумма площадей треугольников, образованных высотами (треугольники у вершин с основаниями на сторонах), равна площади ABC, и докажите полученное утверждение или предложите корректировку
Обозначим основания высот: HaH_aHa на BCBCBC, HbH_bHb на CACACA, HcH_cHc на ABABAB. Рассмотрим треугольник у вершины AAA с основанием HcHbH_cH_bHcHb. Пусть AB=c, AC=b, ∠A=αAB=c,\ AC=b,\ \angle A=\alphaAB=c,AC=b,∠A=α. Площадь ABCABCABCS=12 bcsinα.
S=\tfrac12\,b c\sin\alpha. S=21bcsinα.
Координатно (или по проекциям) получаем для площади треугольника AHcHbAH_cH_bAHcHbSA=12⋅bcosα⋅ccosα⋅sinα=12 bcsinαcos2α=Scos2α.
S_A=\tfrac12\cdot b\cos\alpha\cdot c\cos\alpha\cdot\sin\alpha=\tfrac12\,b c\sin\alpha\cos^2\alpha=S\cos^2\alpha. SA=21⋅bcosα⋅ccosα⋅sinα=21bcsinαcos2α=Scos2α.
Аналогично SB=Scos2β,SC=Scos2γ.
S_B=S\cos^2\beta,\qquad S_C=S\cos^2\gamma. SB=Scos2β,SC=Scos2γ.
Сумма трёх площадей равна SA+SB+SC=S(cos2α+cos2β+cos2γ).
S_A+S_B+S_C=S\big(\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma\big). SA+SB+SC=S(cos2α+cos2β+cos2γ).
Из известной тождественности для углов треугольника cos2α+cos2β+cos2γ+2cosαcosβcosγ=1
\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma+2\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma=1 cos2α+cos2β+cos2γ+2cosαcosβcosγ=1
получаем cos2α+cos2β+cos2γ=1−2cosαcosβcosγ.
\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1-2\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma. cos2α+cos2β+cos2γ=1−2cosαcosβcosγ.
Следовательно сумма площадей равна площади ABCABCABC тогда и только тогда, когда cos2α+cos2β+cos2γ=1 ⟺ cosαcosβcosγ=0,
\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1\iff\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma=0, cos2α+cos2β+cos2γ=1⟺cosαcosβcosγ=0,
то есть ровно в том случае, когда один из косинусов равен нулю, т.е. один из углов равен 90∘90^\circ90∘. Итог: сумма площадей указанных треугольников равна площади ABCABCABC тогда и только тогда, когда ABCABCABC — прямоугольный треугольник. (Для острого треугольника сумма меньше SSS, для тупого — больше.)
S=21 bcsinα. Координатно (или по проекциям) получаем для площади треугольника AHcHbAH_cH_bAHc Hb SA=12⋅bcosα⋅ccosα⋅sinα=12 bcsinαcos2α=Scos2α. S_A=\tfrac12\cdot b\cos\alpha\cdot c\cos\alpha\cdot\sin\alpha=\tfrac12\,b c\sin\alpha\cos^2\alpha=S\cos^2\alpha.
SA =21 ⋅bcosα⋅ccosα⋅sinα=21 bcsinαcos2α=Scos2α. Аналогично
SB=Scos2β,SC=Scos2γ. S_B=S\cos^2\beta,\qquad S_C=S\cos^2\gamma.
SB =Scos2β,SC =Scos2γ. Сумма трёх площадей равна
SA+SB+SC=S(cos2α+cos2β+cos2γ). S_A+S_B+S_C=S\big(\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma\big).
SA +SB +SC =S(cos2α+cos2β+cos2γ). Из известной тождественности для углов треугольника
cos2α+cos2β+cos2γ+2cosαcosβcosγ=1 \cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma+2\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma=1
cos2α+cos2β+cos2γ+2cosαcosβcosγ=1 получаем
cos2α+cos2β+cos2γ=1−2cosαcosβcosγ. \cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1-2\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma.
cos2α+cos2β+cos2γ=1−2cosαcosβcosγ. Следовательно сумма площадей равна площади ABCABCABC тогда и только тогда, когда
cos2α+cos2β+cos2γ=1 ⟺ cosαcosβcosγ=0, \cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1\iff\cos\alpha\cos\beta\cos\gamma=0,
cos2α+cos2β+cos2γ=1⟺cosαcosβcosγ=0, то есть ровно в том случае, когда один из косинусов равен нулю, т.е. один из углов равен 90∘90^\circ90∘.
Итог: сумма площадей указанных треугольников равна площади ABCABCABC тогда и только тогда, когда ABCABCABC — прямоугольный треугольник. (Для острого треугольника сумма меньше SSS, для тупого — больше.)