Постройте (инструментами циркуля и линейки) треугольник по данным длине медианы, длине высоты и углу между ними при условии существования решения; обоснуйте единственность или множественность решений и приведите алгоритм построения
Уточнение (неявное в задаче). Предполагаем, что медиана и высота исходят из одного и того же вершины AAA: AMAMAM — медиана на сторону BCBCBC, AHAHAH — высота на ту же сторону, и задан угол φ=∠(MAH)\varphi=\angle(MAH)φ=∠(MAH), длины AM=mAM=mAM=m и AH=hAH=hAH=h. Условие существования. Пусть взять систему координат так, что A=(0,0)A=(0,0)A=(0,0), H=(0,−h)H=(0,-h)H=(0,−h), прямая BCBCBC — горизонтальная y=−hy=-hy=−h, а M=(x,−h)M=(x,-h)M=(x,−h). Тогда ∣AM∣=m=x2+h2,cosφ=AH⋅AM∣AH∣∣AM∣=h2hm=hm.
|AM|=m=\sqrt{x^2+h^2},\qquad \cos\varphi=\frac{AH\cdot AM}{|AH||AM|}=\frac{h^2}{hm}=\frac{h}{m}. ∣AM∣=m=x2+h2,cosφ=∣AH∣∣AM∣AH⋅AM=hmh2=mh.
Отсюда необходимые и достаточные условия существования невырожденного треугольника: m>hиcosφ=hm.
m>h\quad\text{и}\quad \cos\varphi=\frac{h}{m}. m>hиcosφ=mh.
Если m=hm=hm=h, то x=0x=0x=0, M=HM=HM=H и получается вырожденный случай (B=CB=CB=C). Если cosφ≠h/m\cos\varphi\neq h/mcosφ=h/m, решений нет. Алгоритм построения (циркуль и линейка). Везде — простые постройки отрезков, перпендикуляров, окружностей и симметрии. 1. Проверьте числовое условие cosφ=hm\cos\varphi=\dfrac{h}{m}cosφ=mh и m≥hm\ge hm≥h. Если не выполняется — решения нет (кроме вырожденного при m=hm=hm=h). 2. Постройте точку AAA и отложите от неё на луче выбранного направления отрезок AHAHAH длины hhh. 3. Через HHH проведите прямую lll перпендикулярную к AHAHAH (это будет прямая, содержащая сторону BCBCBC). 4. Постройте окружность с центром в AAA радиуса mmm. Пересечения этой окружности с прямой lll дают точки M1,M2M_1,M_2M1,M2 (их может быть две, одну или ноль). Ноль — нет решения; одна (касание) — вырожденный случай m=hm=hm=h; две — два положения MMM симметрично относительно AHAHAH. 5. Выберите одно из MiM_iMi. Любую точку BBB на прямой lll (не совпадающую с MMM) отразите через MMM получив CCC (постройте симметрию точки относительно точки MMM, т.е. отложите на прямой lll отрезок MBMBMB с другой стороны). Тогда MMM — середина BCBCBC, AHAHAH — перпендикуляр к BCBCBC, AM=mAM=mAM=m, AH=hAH=hAH=h и ∠(MAH)=φ\angle(MAH)=\varphi∠(MAH)=φ, поэтому треугольник ABCABCABC — искомый. 6. При выборе другого положения MMM (вторая точка пересечения) получаете симметричный треугольник. При фиксированном MMM при разных выборах точки BBB на прямой lll получаете разные (неравные по размерам) треугольники — таким образом решений бесконечно много (параметр — полудлина MBMBMB). Краткое обоснование множества решений. Точки A,H,MA,H,MA,H,M фиксируются при допустимых данных; прямая BCBCBC и середина MMM фиксированы, но концы B,CB,CB,C на этой прямой определяются лишь условием симметрии относительно MMM, то есть остаётся один параметр (половина длины BCBCBC). Поэтому при существующем сочетании m,h,φm,h,\varphim,h,φ бесконечное множество неравных треугольников (плюс выбор двух симметричных положений MMM); с точностью до зеркального отражения можно сказать «семейство» решений.
Условие существования. Пусть взять систему координат так, что A=(0,0)A=(0,0)A=(0,0), H=(0,−h)H=(0,-h)H=(0,−h), прямая BCBCBC — горизонтальная y=−hy=-hy=−h, а M=(x,−h)M=(x,-h)M=(x,−h). Тогда
∣AM∣=m=x2+h2,cosφ=AH⋅AM∣AH∣∣AM∣=h2hm=hm. |AM|=m=\sqrt{x^2+h^2},\qquad \cos\varphi=\frac{AH\cdot AM}{|AH||AM|}=\frac{h^2}{hm}=\frac{h}{m}.
∣AM∣=m=x2+h2 ,cosφ=∣AH∣∣AM∣AH⋅AM =hmh2 =mh . Отсюда необходимые и достаточные условия существования невырожденного треугольника:
m>hиcosφ=hm. m>h\quad\text{и}\quad \cos\varphi=\frac{h}{m}.
m>hиcosφ=mh . Если m=hm=hm=h, то x=0x=0x=0, M=HM=HM=H и получается вырожденный случай (B=CB=CB=C). Если cosφ≠h/m\cos\varphi\neq h/mcosφ=h/m, решений нет.
Алгоритм построения (циркуль и линейка). Везде — простые постройки отрезков, перпендикуляров, окружностей и симметрии.
1. Проверьте числовое условие cosφ=hm\cos\varphi=\dfrac{h}{m}cosφ=mh и m≥hm\ge hm≥h. Если не выполняется — решения нет (кроме вырожденного при m=hm=hm=h).
2. Постройте точку AAA и отложите от неё на луче выбранного направления отрезок AHAHAH длины hhh.
3. Через HHH проведите прямую lll перпендикулярную к AHAHAH (это будет прямая, содержащая сторону BCBCBC).
4. Постройте окружность с центром в AAA радиуса mmm. Пересечения этой окружности с прямой lll дают точки M1,M2M_1,M_2M1 ,M2 (их может быть две, одну или ноль). Ноль — нет решения; одна (касание) — вырожденный случай m=hm=hm=h; две — два положения MMM симметрично относительно AHAHAH.
5. Выберите одно из MiM_iMi . Любую точку BBB на прямой lll (не совпадающую с MMM) отразите через MMM получив CCC (постройте симметрию точки относительно точки MMM, т.е. отложите на прямой lll отрезок MBMBMB с другой стороны). Тогда MMM — середина BCBCBC, AHAHAH — перпендикуляр к BCBCBC, AM=mAM=mAM=m, AH=hAH=hAH=h и ∠(MAH)=φ\angle(MAH)=\varphi∠(MAH)=φ, поэтому треугольник ABCABCABC — искомый.
6. При выборе другого положения MMM (вторая точка пересечения) получаете симметричный треугольник. При фиксированном MMM при разных выборах точки BBB на прямой lll получаете разные (неравные по размерам) треугольники — таким образом решений бесконечно много (параметр — полудлина MBMBMB).
Краткое обоснование множества решений. Точки A,H,MA,H,MA,H,M фиксируются при допустимых данных; прямая BCBCBC и середина MMM фиксированы, но концы B,CB,CB,C на этой прямой определяются лишь условием симметрии относительно MMM, то есть остаётся один параметр (половина длины BCBCBC). Поэтому при существующем сочетании m,h,φm,h,\varphim,h,φ бесконечное множество неравных треугольников (плюс выбор двух симметричных положений MMM); с точностью до зеркального отражения можно сказать «семейство» решений.