Докажите или опровергните: если в тетраэдре сумма квадратов двух противоположных ребер равна сумме квадратов двух других противоположных ребер, то тетраэдр обладает осью симметрии; приведите примеры и контрпримеры
Короткий ответ: утверждение в общем неверно. Доказательство и примеры далее. 1) Эквивалентность с перпендикулярностью. Пусть вершины тетраэдра заданы векторами a,b,c,d∈R3a,b,c,d\in\mathbb R^3a,b,c,d∈R3. Тогда (∣a−b∣2+∣c−d∣2)−(∣a−c∣2+∣b−d∣2)=−2((a−c)⋅(b−d)).
(|a-b|^2+|c-d|^2)-(|a-c|^2+|b-d|^2) =-2\bigl((a-c)\cdot(b-d)\bigr). (∣a−b∣2+∣c−d∣2)−(∣a−c∣2+∣b−d∣2)=−2((a−c)⋅(b−d)).
Следовательно одинаковость сумм квадратов ∣a−b∣2+∣c−d∣2=∣a−c∣2+∣b−d∣2
|a-b|^2+|c-d|^2=|a-c|^2+|b-d|^2 ∣a−b∣2+∣c−d∣2=∣a−c∣2+∣b−d∣2
равносильна условию (a−c)⋅(b−d)=0,
(a-c)\cdot(b-d)=0, (a−c)⋅(b−d)=0,
то есть векторам (рёбрам) ACACAC и BDBDBD — перпендикулярности. 2) Почему это не даёт оси симметрии. Равенство сумм (или, эквивалентно, перпендикулярность двух противоположных рёбер) не гарантирует наличия поворотной симметрии на 180∘180^\circ180∘, т.к. для такой симметрии нужнее, чтобы ось поворота проходила через середины этих рёбер и была перпендикулярна обоим рёбрам (тогда ось будет серединно-перпендикулярной для каждого из отрезков и поворот переставит концы). Перпендикулярность рёбер сама по себе не обеспечивает перпендикулярности оси к этим рёбрам. 3) Контрпример (равенство сумм есть, симметрии нет). Возьмём A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1).
A=(0,0,0),\quad C=(2,0,0),\quad B=(0,0,1),\quad D=(0,2,1). A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1).
Тогда AC=(2,0,0), BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),\;BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),BD=(0,2,0) и (a−c)⋅(b−d)=AC⋅BD=0(a-c)\cdot(b-d)=AC\cdot BD=0(a−c)⋅(b−d)=AC⋅BD=0, значит ∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2.
|AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2. ∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2.
Между тем середины ACACAC и BDBDBD равны MAC=(1,0,0)M_{AC}=(1,0,0)MAC=(1,0,0) и MBD=(0,1,1)M_{BD}=(0,1,1)MBD=(0,1,1); вектор оси v=MBD−MAC=(−1,1,1)v=M_{BD}-M_{AC}=(-1,1,1)v=MBD−MAC=(−1,1,1) даёт v⋅AC=(−1,1,1)⋅(2,0,0)=−2≠0,
v\cdot AC=(-1,1,1)\cdot(2,0,0)=-2\ne0, v⋅AC=(−1,1,1)⋅(2,0,0)=−2=0,
то есть эта «ось» не перпендикулярна ACACAC. Следовательно нет поворота на 180∘180^\circ180∘, переставляющего A↔CA\leftrightarrow CA↔C и B↔DB\leftrightarrow DB↔D — симметрии нет. 4) Пример, где равенство даёт ось симметрии. Возьмём A=(1,0,1), C=(−1,0,1), B=(0,1,−1), D=(0,−1,−1).
A=(1,0,1),\; C=(-1,0,1),\; B=(0,1,-1),\; D=(0,-1,-1). A=(1,0,1),C=(−1,0,1),B=(0,1,−1),D=(0,−1,−1).
Здесь AC=(−2,0,0), BD=(0,−2,0)AC=(-2,0,0),\;BD=(0,-2,0)AC=(−2,0,0),BD=(0,−2,0), они перпендикулярны; середины (0,0,1)(0,0,1)(0,0,1) и (0,0,−1)(0,0,-1)(0,0,−1) лежат на оси zzz-; ось zzz перпендикулярна и к ACACAC, и к BDBDBD, поэтому поворот на 180∘180^\circ180∘ вокруг оси zzz меняет A↔C, B↔DA\leftrightarrow C,\;B\leftrightarrow DA↔C,B↔D. То есть равенство сумм здесь сопровождается осью симметрии. 5) Замечание. Если равенство сумм выполняется для всех трёх пар противоположных рёбер, ∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2=∣AD∣2+∣BC∣2,
|AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2=|AD|^2+|BC|^2, ∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2=∣AD∣2+∣BC∣2,
то тетраэдр ортогонален (противоположные рёбра попарно перпендикулярны). И всё же ортогональный тетраэдр в общем не обязателен иметь ось симметрии (условие перпендикулярности каждого лишь даёт геометрическую структуру, а не обязательную поворотную симметрию). Итого: равенство сумм квадратов противоположных рёбер эквивалентно перпендикулярности соответствующих рёбер, но не эквивалентно наличию оси симметрии; нужны дополнительные условия (середины рёбер на одной прямой и эта прямая перпендикулярна обоим рёбрам).
1) Эквивалентность с перпендикулярностью. Пусть вершины тетраэдра заданы векторами a,b,c,d∈R3a,b,c,d\in\mathbb R^3a,b,c,d∈R3. Тогда
(∣a−b∣2+∣c−d∣2)−(∣a−c∣2+∣b−d∣2)=−2((a−c)⋅(b−d)). (|a-b|^2+|c-d|^2)-(|a-c|^2+|b-d|^2)
=-2\bigl((a-c)\cdot(b-d)\bigr).
(∣a−b∣2+∣c−d∣2)−(∣a−c∣2+∣b−d∣2)=−2((a−c)⋅(b−d)). Следовательно одинаковость сумм квадратов
∣a−b∣2+∣c−d∣2=∣a−c∣2+∣b−d∣2 |a-b|^2+|c-d|^2=|a-c|^2+|b-d|^2
∣a−b∣2+∣c−d∣2=∣a−c∣2+∣b−d∣2 равносильна условию
(a−c)⋅(b−d)=0, (a-c)\cdot(b-d)=0,
(a−c)⋅(b−d)=0, то есть векторам (рёбрам) ACACAC и BDBDBD — перпендикулярности.
2) Почему это не даёт оси симметрии. Равенство сумм (или, эквивалентно, перпендикулярность двух противоположных рёбер) не гарантирует наличия поворотной симметрии на 180∘180^\circ180∘, т.к. для такой симметрии нужнее, чтобы ось поворота проходила через середины этих рёбер и была перпендикулярна обоим рёбрам (тогда ось будет серединно-перпендикулярной для каждого из отрезков и поворот переставит концы). Перпендикулярность рёбер сама по себе не обеспечивает перпендикулярности оси к этим рёбрам.
3) Контрпример (равенство сумм есть, симметрии нет). Возьмём
A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1). A=(0,0,0),\quad C=(2,0,0),\quad B=(0,0,1),\quad D=(0,2,1).
A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1). Тогда AC=(2,0,0), BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),\;BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),BD=(0,2,0) и (a−c)⋅(b−d)=AC⋅BD=0(a-c)\cdot(b-d)=AC\cdot BD=0(a−c)⋅(b−d)=AC⋅BD=0, значит
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2. |AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2.
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2. Между тем середины ACACAC и BDBDBD равны MAC=(1,0,0)M_{AC}=(1,0,0)MAC =(1,0,0) и MBD=(0,1,1)M_{BD}=(0,1,1)MBD =(0,1,1); вектор оси v=MBD−MAC=(−1,1,1)v=M_{BD}-M_{AC}=(-1,1,1)v=MBD −MAC =(−1,1,1) даёт
v⋅AC=(−1,1,1)⋅(2,0,0)=−2≠0, v\cdot AC=(-1,1,1)\cdot(2,0,0)=-2\ne0,
v⋅AC=(−1,1,1)⋅(2,0,0)=−2=0, то есть эта «ось» не перпендикулярна ACACAC. Следовательно нет поворота на 180∘180^\circ180∘, переставляющего A↔CA\leftrightarrow CA↔C и B↔DB\leftrightarrow DB↔D — симметрии нет.
4) Пример, где равенство даёт ось симметрии. Возьмём
A=(1,0,1), C=(−1,0,1), B=(0,1,−1), D=(0,−1,−1). A=(1,0,1),\; C=(-1,0,1),\; B=(0,1,-1),\; D=(0,-1,-1).
A=(1,0,1),C=(−1,0,1),B=(0,1,−1),D=(0,−1,−1). Здесь AC=(−2,0,0), BD=(0,−2,0)AC=(-2,0,0),\;BD=(0,-2,0)AC=(−2,0,0),BD=(0,−2,0), они перпендикулярны; середины (0,0,1)(0,0,1)(0,0,1) и (0,0,−1)(0,0,-1)(0,0,−1) лежат на оси zzz-; ось zzz перпендикулярна и к ACACAC, и к BDBDBD, поэтому поворот на 180∘180^\circ180∘ вокруг оси zzz меняет A↔C, B↔DA\leftrightarrow C,\;B\leftrightarrow DA↔C,B↔D. То есть равенство сумм здесь сопровождается осью симметрии.
5) Замечание. Если равенство сумм выполняется для всех трёх пар противоположных рёбер,
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2=∣AD∣2+∣BC∣2, |AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2=|AD|^2+|BC|^2,
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2=∣AD∣2+∣BC∣2, то тетраэдр ортогонален (противоположные рёбра попарно перпендикулярны). И всё же ортогональный тетраэдр в общем не обязателен иметь ось симметрии (условие перпендикулярности каждого лишь даёт геометрическую структуру, а не обязательную поворотную симметрию).
Итого: равенство сумм квадратов противоположных рёбер эквивалентно перпендикулярности соответствующих рёбер, но не эквивалентно наличию оси симметрии; нужны дополнительные условия (середины рёбер на одной прямой и эта прямая перпендикулярна обоим рёбрам).