Постройте треугольник по двум углам и медиане, исходящей из вершины между ними; обсудите случаи существования и единственности решения и предложите алгоритм построения
Пусть даны углы α\alphaα и γ\gammaγ в вершинах AAA и CCC и длина медианы из вершины между ними (то есть из BBB) равная mmm. Обозначим стороны классически: a=BC, b=AC, c=ABa=BC,\; b=AC,\; c=ABa=BC,b=AC,c=AB, угол в BBB равен B=π−α−γB=\pi-\alpha-\gammaB=π−α−γ. 1) Формула и вывод единственности/существования. Медиана из BBB удовлетворяет m2=12(a2+c2)−14b2.
m^2=\tfrac12(a^2+c^2)-\tfrac14 b^2 . m2=21(a2+c2)−41b2.
По теореме синусов a=ksinα, b=ksinB, c=ksinγa=k\sin\alpha,\; b=k\sin B,\; c=k\sin\gammaa=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ для некоторого положительного масштабирующего множителя kkk. Подставляя в формулу медианы, получаем m=k⋅S,S=122sin2α+2sin2γ−sin2B.
m = k\cdot S,\qquad S=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2 B}. m=k⋅S,S=212sin2α+2sin2γ−sin2B.
Отсюда k=mS,
k=\frac{m}{S}, k=Sm,
при условии что S>0S>0S>0. Если α+γ≥π\alpha+\gamma\ge\piα+γ≥π — треугольник невозможен (угол B≤0B\le0B≤0). Если S≤0S\le0S≤0 и при этом задано m>0m>0m>0, решения не существует. При S>0S>0S>0 значение kkk однозначно, следовательно однозначно определяются все стороны a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ,
a=k\sin\alpha,\qquad b=k\sin B,\qquad c=k\sin\gamma, a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ,
и треугольник существует и единственен с точностью до конгруэнтности. (Специальный случай: если S=0S=0S=0 и m=0m=0m=0, это вырожденный случай; для положительного mmm этот случай невозможен.) 2) Алгоритм построения (чертёж циркулем и линейкой / пошагово с вычислениями длины): а) Проверьте B=π−α−γ>0B=\pi-\alpha-\gamma>0B=π−α−γ>0. Вычислите S=122sin2α+2sin2γ−sin2BS=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2 B}S=212sin2α+2sin2γ−sin2B. Если S≤0S\le0S≤0 и m>0m>0m>0 — решения нет. б) Найдите масштабный множитель k=mS.
k=\frac{m}{S}. k=Sm. в) Вычислите стороны a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ.
a=k\sin\alpha,\qquad b=k\sin B,\qquad c=k\sin\gamma. a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ. г) Постройте отрезок ACACAC длины bbb. В вершине AAA от отрезка ACACAC постройте луч под углом α\alphaα внутрь полуплоскости треугольника. В вершине CCC от отрезка CACACA постройте луч под углом γ\gammaγ. Пересечение этих лучей — точка BBB. Получится треугольник ABCABCABC с заданными углами и медианой из BBB. (При необходимости все арифметические операции с синусами, суммами и корнями можно выполнить геометрически: взять произвольный эталонный отрезок, построить на нём отрезки, равные sinα,sinγ,sinB\sin\alpha,\sin\gamma,\sin Bsinα,sinγ,sinB через прямоугольные треугольники, затем построить выражение под корнем, извлечь квадратный корень и умножить/разделить на mmm — всё это делается стандартными средствами циркуля и линейки.) Итого: при α+γ<π\alpha+\gamma<\piα+γ<π и при положительном S=122sin2α+2sin2γ−sin2(α+γ)>0
S=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2(\alpha+\gamma)}>0 S=212sin2α+2sin2γ−sin2(α+γ)>0
существует единственный (до конгруэнтности) треугольник с заданными α,γ\alpha,\gammaα,γ и медианой mmm; при нарушении этого условия решений нет.
1) Формула и вывод единственности/существования.
Медиана из BBB удовлетворяет
m2=12(a2+c2)−14b2. m^2=\tfrac12(a^2+c^2)-\tfrac14 b^2 .
m2=21 (a2+c2)−41 b2. По теореме синусов a=ksinα, b=ksinB, c=ksinγa=k\sin\alpha,\; b=k\sin B,\; c=k\sin\gammaa=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ для некоторого положительного масштабирующего множителя kkk. Подставляя в формулу медианы, получаем
m=k⋅S,S=122sin2α+2sin2γ−sin2B. m = k\cdot S,\qquad S=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2 B}.
m=k⋅S,S=21 2sin2α+2sin2γ−sin2B . Отсюда
k=mS, k=\frac{m}{S},
k=Sm , при условии что S>0S>0S>0. Если α+γ≥π\alpha+\gamma\ge\piα+γ≥π — треугольник невозможен (угол B≤0B\le0B≤0). Если S≤0S\le0S≤0 и при этом задано m>0m>0m>0, решения не существует. При S>0S>0S>0 значение kkk однозначно, следовательно однозначно определяются все стороны
a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ, a=k\sin\alpha,\qquad b=k\sin B,\qquad c=k\sin\gamma,
a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ, и треугольник существует и единственен с точностью до конгруэнтности.
(Специальный случай: если S=0S=0S=0 и m=0m=0m=0, это вырожденный случай; для положительного mmm этот случай невозможен.)
2) Алгоритм построения (чертёж циркулем и линейкой / пошагово с вычислениями длины):
а) Проверьте B=π−α−γ>0B=\pi-\alpha-\gamma>0B=π−α−γ>0. Вычислите S=122sin2α+2sin2γ−sin2BS=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2 B}S=21 2sin2α+2sin2γ−sin2B . Если S≤0S\le0S≤0 и m>0m>0m>0 — решения нет.
б) Найдите масштабный множитель
k=mS. k=\frac{m}{S}.
k=Sm .
в) Вычислите стороны
a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ. a=k\sin\alpha,\qquad b=k\sin B,\qquad c=k\sin\gamma.
a=ksinα,b=ksinB,c=ksinγ.
г) Постройте отрезок ACACAC длины bbb. В вершине AAA от отрезка ACACAC постройте луч под углом α\alphaα внутрь полуплоскости треугольника. В вершине CCC от отрезка CACACA постройте луч под углом γ\gammaγ. Пересечение этих лучей — точка BBB. Получится треугольник ABCABCABC с заданными углами и медианой из BBB.
(При необходимости все арифметические операции с синусами, суммами и корнями можно выполнить геометрически: взять произвольный эталонный отрезок, построить на нём отрезки, равные sinα,sinγ,sinB\sin\alpha,\sin\gamma,\sin Bsinα,sinγ,sinB через прямоугольные треугольники, затем построить выражение под корнем, извлечь квадратный корень и умножить/разделить на mmm — всё это делается стандартными средствами циркуля и линейки.)
Итого: при α+γ<π\alpha+\gamma<\piα+γ<π и при положительном
S=122sin2α+2sin2γ−sin2(α+γ)>0 S=\tfrac12\sqrt{2\sin^2\alpha+2\sin^2\gamma-\sin^2(\alpha+\gamma)}>0
S=21 2sin2α+2sin2γ−sin2(α+γ) >0 существует единственный (до конгруэнтности) треугольник с заданными α,γ\alpha,\gammaα,γ и медианой mmm; при нарушении этого условия решений нет.