Кейс: дан ромб и внутренняя точка P; при каких условиях сумма расстояний от P до вершин минимальна в вершине ромба, и как это связано с понятиями ферума и тора
Кратко: для невырожденного ромба сумма расстояний S(P)=PA+PB+PC+PDS(P)=PA+PB+PC+PDS(P)=PA+PB+PC+PD минимальна не в вершине, а в центре ромба (в точке пересечения диагоналей). Минимум в вершине возможен только в вырожденном случае. Доказательство (коротко). По неравенству треугольника PA+PC≥AC,PB+PD≥BD,
PA+PC\ge AC,\qquad PB+PD\ge BD, PA+PC≥AC,PB+PD≥BD,
поэтому для любой точки PPPS(P)=PA+PB+PC+PD≥AC+BD.
S(P)=PA+PB+PC+PD\ge AC+BD. S(P)=PA+PB+PC+PD≥AC+BD.
Равенство в обоих неравенствах одновременно достигается тогда и только тогда, когда PPP лежит на отрезке ACACAC и на отрезке BDBDBD, то есть PPP — точка пересечения диагоналей OOO. Следовательно минимум Smin=AC+BDS_{\min}=AC+BDSmin=AC+BD и достигается в OOO. Для любой вершины, например AAA, имеем S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O)
S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O) S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O)
(строгое неравенство для невырожденного ромба), значит вершина не является минимизатором. Связь с задачей Ферма–Торричелли. Для трёх точек (треугольника) точка Ферма–Торричелли минимизирует сумму расстояний: она лежит внутри, если все углы < 120∘120^\circ120∘, и совпадает с вершиной, если какой‑то угол ≥120∘\ge120^\circ≥120∘. Для четырёх вершин ромба благодаря центральной симметрии задача разбивается на две пары противоположных вершин; минимизация даёт сумму длин диагоналей и решение — центр ромба (аналог «Торричелли» для симметричной четвёрки).
Доказательство (коротко). По неравенству треугольника
PA+PC≥AC,PB+PD≥BD, PA+PC\ge AC,\qquad PB+PD\ge BD,
PA+PC≥AC,PB+PD≥BD, поэтому для любой точки PPP S(P)=PA+PB+PC+PD≥AC+BD. S(P)=PA+PB+PC+PD\ge AC+BD.
S(P)=PA+PB+PC+PD≥AC+BD. Равенство в обоих неравенствах одновременно достигается тогда и только тогда, когда PPP лежит на отрезке ACACAC и на отрезке BDBDBD, то есть PPP — точка пересечения диагоналей OOO. Следовательно минимум Smin=AC+BDS_{\min}=AC+BDSmin =AC+BD и достигается в OOO. Для любой вершины, например AAA, имеем
S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O) S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O)
S(A)=0+AB+AC+AD=2AB+AC>AC+BD=S(O) (строгое неравенство для невырожденного ромба), значит вершина не является минимизатором.
Связь с задачей Ферма–Торричелли. Для трёх точек (треугольника) точка Ферма–Торричелли минимизирует сумму расстояний: она лежит внутри, если все углы < 120∘120^\circ120∘, и совпадает с вершиной, если какой‑то угол ≥120∘\ge120^\circ≥120∘. Для четырёх вершин ромба благодаря центральной симметрии задача разбивается на две пары противоположных вершин; минимизация даёт сумму длин диагоналей и решение — центр ромба (аналог «Торричелли» для симметричной четвёрки).