Постройте с помощью циркуля и линейки треугольник по данным длинам высот и обсудите, при каких соотношениях высот такая конструкция возможна и является единственной
Краткий ответ с построением и обоснованием. Обозначим данные высоты ha,hb,hc>0\,h_a,h_b,h_c>0ha,hb,hc>0. Введём обозначения xa=1ha,xb=1hb,xc=1hc.
x_a=\frac{1}{h_a},\qquad x_b=\frac{1}{h_b},\qquad x_c=\frac{1}{h_c}. xa=ha1,xb=hb1,xc=hc1. 1) Необходимое и достаточное условие существования. Пусть искомый треугольник имеет стороны a,b,ca,b,ca,b,c против вершин A,B,CA,B,CA,B,C и площадь SSS. Тогда a=2Sha,b=2Shb,c=2Shc,
a=\frac{2S}{h_a},\quad b=\frac{2S}{h_b},\quad c=\frac{2S}{h_c}, a=ha2S,b=hb2S,c=hc2S,
и поэтому a:b:c=xa:xb:xc.
a:b:c = x_a:x_b:x_c. a:b:c=xa:xb:xc.
Подставляя в неравения треугольника, получаем независимые от SSS условия 1ha<1hb+1hc,1hb<1ha+1hc,1hc<1ha+1hb,
\frac{1}{h_a}<\frac{1}{h_b}+\frac{1}{h_c},\quad \frac{1}{h_b}<\frac{1}{h_a}+\frac{1}{h_c},\quad \frac{1}{h_c}<\frac{1}{h_a}+\frac{1}{h_b}, ha1<hb1+hc1,hb1<ha1+hc1,hc1<ha1+hb1,
или кратко — числа xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc удовлетворяют неравенствам треугольника. Эти условия также достаточны (см. ниже). Если хотя бы одно равенство выполняется строго в знак равенства, треугольник вырождается, поэтому требований строгости нужно. 2) Единственность. Из уравнений выше площадь SSS однозначно определяется соотношением (через Heron для треугольника со сторонами xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc). Пусть SxS_xSx — площадь (числовая величина) треугольника со сторонами xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc. Тогда прямой алгебраический вывод даёт S=14Sx.
S=\frac{1}{4S_x}. S=4Sx1.
Тогда стороны a,b,ca,b,ca,b,c вычисляются однозначно: a=2Sxa, b=2Sxb, c=2Sxca=2Sx_a,\; b=2Sx_b,\; c=2Sx_ca=2Sxa,b=2Sxb,c=2Sxc. Следовательно (с точностью до зеркального отражения) треугольник единственен. 3) Построение (компасом и линейкой), схема. - Выполните проверку условий: убедитесь, что xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc удовлетворяют неравенствам треугольника. Если нет — построение невозможно. - Постройте численно (геометрически) отрезки пропорциональные xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc. Практически: построьте отрезки, каждому заданному hih_ihi сопоставив отрезок xix_ixi как обратную величину (построение обратного отношения делением отрезков с помощью подобия: взять произвольный «единичный» отрезок uuu, и по треугольнику получить xi=u/hix_i=u/h_ixi=u/hi). (Все операции сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня выполнимы циркулем и линейкой.) - По отрезкам xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc постройте треугольник XXX со сторонами ровно xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa,xb,xc (возможен по проверке выше). - Найдите его площадь SxS_xSx геометрически (формула Герона: сначала полупериметр px=(xa+xb+xc)/2p_x=(x_a+x_b+x_c)/2px=(xa+xb+xc)/2, затем Sx=px(px−xa)(px−xb)(px−xc)S_x=\sqrt{p_x(p_x-x_a)(p_x-x_b)(p_x-x_c)}Sx=px(px−xa)(px−xb)(px−xc) — все четыре операции конструктивны). - Возьмите масштабный множитель λ=12Sx.
\lambda=\frac{1}{2S_x}. λ=2Sx1.
Умножив треугольник XXX на коэффициент λ\lambdaλ (построить отрезки λxa,λxb,λxc\lambda x_a,\lambda x_b,\lambda x_cλxa,λxb,λxc стандартными приёмами подобия), получите искомые стороны a=λxa,b=λxb,c=λxc.
a=\lambda x_a,\quad b=\lambda x_b,\quad c=\lambda x_c. a=λxa,b=λxb,c=λxc.
- Дальше собрать треугольник по трём сторонам — это стандартная конструкция. 4) Краткое обоснование корректности. Для полученных таким образом a,b,ca,b,ca,b,c выполнено a=2Shaa=\dfrac{2S}{h_a}a=ha2S с тем самым S=14SxS=\dfrac{1}{4S_x}S=4Sx1, поэтому высоты будут равны заданным ha,hb,hch_a,h_b,h_cha,hb,hc. Формулы доказывают, что при выполнении условий на xix_ixi значение SSS и, следовательно, a,b,ca,b,ca,b,c уникальны. Итог: конструкция возможна тогда и только тогда, когда числа 1ha,1hb,1hc\dfrac{1}{h_a},\dfrac{1}{h_b},\dfrac{1}{h_c}ha1,hb1,hc1 могут быть длинами сторон некоторого треугольника (то есть удовлетворяют треугольным неравенствам). При этом треугольник, если существует, единствен (с точностью до зеркального отражения).
Обозначим данные высоты ha,hb,hc>0\,h_a,h_b,h_c>0ha ,hb ,hc >0. Введём обозначения
xa=1ha,xb=1hb,xc=1hc. x_a=\frac{1}{h_a},\qquad x_b=\frac{1}{h_b},\qquad x_c=\frac{1}{h_c}.
xa =ha 1 ,xb =hb 1 ,xc =hc 1 .
1) Необходимое и достаточное условие существования.
Пусть искомый треугольник имеет стороны a,b,ca,b,ca,b,c против вершин A,B,CA,B,CA,B,C и площадь SSS. Тогда
a=2Sha,b=2Shb,c=2Shc, a=\frac{2S}{h_a},\quad b=\frac{2S}{h_b},\quad c=\frac{2S}{h_c},
a=ha 2S ,b=hb 2S ,c=hc 2S , и поэтому
a:b:c=xa:xb:xc. a:b:c = x_a:x_b:x_c.
a:b:c=xa :xb :xc . Подставляя в неравения треугольника, получаем независимые от SSS условия
1ha<1hb+1hc,1hb<1ha+1hc,1hc<1ha+1hb, \frac{1}{h_a}<\frac{1}{h_b}+\frac{1}{h_c},\quad
\frac{1}{h_b}<\frac{1}{h_a}+\frac{1}{h_c},\quad
\frac{1}{h_c}<\frac{1}{h_a}+\frac{1}{h_b},
ha 1 <hb 1 +hc 1 ,hb 1 <ha 1 +hc 1 ,hc 1 <ha 1 +hb 1 , или кратко — числа xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc удовлетворяют неравенствам треугольника. Эти условия также достаточны (см. ниже). Если хотя бы одно равенство выполняется строго в знак равенства, треугольник вырождается, поэтому требований строгости нужно.
2) Единственность.
Из уравнений выше площадь SSS однозначно определяется соотношением (через Heron для треугольника со сторонами xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc ). Пусть SxS_xSx — площадь (числовая величина) треугольника со сторонами xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc . Тогда прямой алгебраический вывод даёт
S=14Sx. S=\frac{1}{4S_x}.
S=4Sx 1 . Тогда стороны a,b,ca,b,ca,b,c вычисляются однозначно: a=2Sxa, b=2Sxb, c=2Sxca=2Sx_a,\; b=2Sx_b,\; c=2Sx_ca=2Sxa ,b=2Sxb ,c=2Sxc . Следовательно (с точностью до зеркального отражения) треугольник единственен.
3) Построение (компасом и линейкой), схема.
- Выполните проверку условий: убедитесь, что xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc удовлетворяют неравенствам треугольника. Если нет — построение невозможно.
- Постройте численно (геометрически) отрезки пропорциональные xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc . Практически: построьте отрезки, каждому заданному hih_ihi сопоставив отрезок xix_ixi как обратную величину (построение обратного отношения делением отрезков с помощью подобия: взять произвольный «единичный» отрезок uuu, и по треугольнику получить xi=u/hix_i=u/h_ixi =u/hi ). (Все операции сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня выполнимы циркулем и линейкой.)
- По отрезкам xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc постройте треугольник XXX со сторонами ровно xa,xb,xcx_a,x_b,x_cxa ,xb ,xc (возможен по проверке выше).
- Найдите его площадь SxS_xSx геометрически (формула Герона: сначала полупериметр px=(xa+xb+xc)/2p_x=(x_a+x_b+x_c)/2px =(xa +xb +xc )/2, затем Sx=px(px−xa)(px−xb)(px−xc)S_x=\sqrt{p_x(p_x-x_a)(p_x-x_b)(p_x-x_c)}Sx =px (px −xa )(px −xb )(px −xc ) — все четыре операции конструктивны).
- Возьмите масштабный множитель
λ=12Sx. \lambda=\frac{1}{2S_x}.
λ=2Sx 1 . Умножив треугольник XXX на коэффициент λ\lambdaλ (построить отрезки λxa,λxb,λxc\lambda x_a,\lambda x_b,\lambda x_cλxa ,λxb ,λxc стандартными приёмами подобия), получите искомые стороны
a=λxa,b=λxb,c=λxc. a=\lambda x_a,\quad b=\lambda x_b,\quad c=\lambda x_c.
a=λxa ,b=λxb ,c=λxc . - Дальше собрать треугольник по трём сторонам — это стандартная конструкция.
4) Краткое обоснование корректности.
Для полученных таким образом a,b,ca,b,ca,b,c выполнено a=2Shaa=\dfrac{2S}{h_a}a=ha 2S с тем самым S=14SxS=\dfrac{1}{4S_x}S=4Sx 1 , поэтому высоты будут равны заданным ha,hb,hch_a,h_b,h_cha ,hb ,hc . Формулы доказывают, что при выполнении условий на xix_ixi значение SSS и, следовательно, a,b,ca,b,ca,b,c уникальны.
Итог: конструкция возможна тогда и только тогда, когда числа 1ha,1hb,1hc\dfrac{1}{h_a},\dfrac{1}{h_b},\dfrac{1}{h_c}ha 1 ,hb 1 ,hc 1 могут быть длинами сторон некоторого треугольника (то есть удовлетворяют треугольным неравенствам). При этом треугольник, если существует, единствен (с точностью до зеркального отражения).