Дано длины двух медиан m_a и m_b в треугольнике ABC и угол между ними. Опишите алгоритм построения треугольника по этим данным, обсудите вопросы существования и единственности построения и перечислите все граничные случаи, когда построение невозможно или неоднозначно

8 Окт в 11:38
6 +1
0
Ответы
1

Краткая идея. Пусть в треугольнике ABC заданы длины медиан m_a медианаизвершиныAмедиана из вершины AмедианаизвершиныA и m_b медианаизвершиныBмедиана из вершины BмедианаизвершиныB и угол φ между этими медианами уголмеждуихпрямымивточкепересеченияугол между их прямыми в точке пересеченияуголмеждуихпрямымивточкепересечения. Медианы пересекаются в центроиде G и каждая медиана делится центроидом в отношении 2:1 расстояниеотвершиныдоGравно2/3длинысоответствующеймедианырасстояние от вершины до G равно 2/3 длины соответствующей медианырасстояниеотвершиныдоGравно2/3длинысоответствующеймедианы. Обозначим

a1 = 2/3 · m_a = |GA|,b1 = 2/3 · m_b = |GB|,φ = угол ∠AGB.

Тогда точки A и B однозначно задаются относительно G: из точки G откладывают в разных направлениях отрезки длины a1 и b1, образующие угол φ. Третья вершина C определяется по соотношению координат центра масс: G = A+B+CA + B + CA+B+C/3, откуда
C = 3G − A − B,
или в векторной форме
GC = −GA+GBGA + GBGA+GB.

Это даёт простой и чисто геометрический построенный алгоритм.

Алгоритм построения геометрическигеометрическигеометрически:

На листе выберите произвольную точку G будущийцентроидбудущий центроидбудущийцентроид.Через G постройте два луча, образующие заданный угол φ.На первом луче отложите отрезок GA длины a1 = 2/3·m_a — получена точка A.На втором луче отложите отрезок GB длины b1 = 2/3·m_b — получена точка B.Постройте точку D как вершину параллелограмма с соседними вершинами в A и B: через A проведите прямую, параллельную GB, через B — прямую, параллельную GA; их пересечение — точка D = G + GA+GBGA + GBGA+GB.Отразите точку D относительно точки G симметричноотносительноGсимметрично относительно GсимметричноотносительноG — получите C. ЭтореализацияформулыC=G−(GA+GB).Это реализация формулы C = G − (GA + GB).ЭтореализацияформулыC=G(GA+GB).Проверка: медиана из A в середину BC будет иметь длину m_a, из B — m_b, угол между ними в G будет φ.

Замечание по практической построимости: шаг 5–6 можно заменить прямым построением векторов: положив в G два вектора длины a1 и b1 с углом φ, суммировать их построитьпараллелограммпостроить параллелограммпостроитьпараллелограмм и взять противоположный вектор к сумме.

Существование и единственность решения

Если заданные числа m_a > 0, m_b > 0 и угол φ удовлетворяют 0 < φ < π тоестьφнеравен0°инеравен180°то есть φ не равен 0° и не равен 180°тоестьφнеравенинеравен180°, то описанная конструкция даёт единственный всмыслегеометрическойоднозначностидоперемещенияиповоротаплоскостив смысле геометрической однозначности до перемещения и поворота плоскостивсмыслегеометрическойоднозначностидоперемещенияиповоротаплоскости невырожденный треугольник. Единственность: A и B однозначно заданы относительно G, а C однозначно вычисляется по C = 3G − A − B. Возможны две «ориентации» зеркальныеотражениязеркальные отражениязеркальныеотражения в зависимости от того, в какую сторону от первой луча откладывать второй луч лево/праволево/праволево/право, но эти два решения совпадают с точностью до зеркального отражения тоестьконгруэнтныто есть конгруэнтнытоестьконгруэнтны.Если φ = 0° или φ = 180° медианылежатнаоднойпрямоймедианы лежат на одной прямоймедианылежатнаоднойпрямой, то треугольник всегда вырождается точкиA,B,Cколлинеарныточки A, B, C коллинеарныточкиA,B,Cколлинеарны. Это значит, что нет невырожденного (площадью > 0) треугольника с такими данными. Еслидопускаетсявырождение,топриφ=0°илиφ=180°будетединственноеколлинеарноерасположениевершин,определяемоеотложеннымиотрезкамиa1иb1;приφ=180°иa1=b1получаетсядополнительнаявырождённаяситуациясC=G.Если допускается вырождение, то при φ = 0° или φ = 180° будет единственное коллинеарное расположение вершин, определяемое отложенными отрезками a1 и b1; при φ = 180° и a1 = b1 получается дополнительная вырождённая ситуация с C = G.Еслидопускаетсявырождение,топриφ=илиφ=180°будетединственноеколлинеарноерасположениевершин,определяемоеотложеннымиотрезкамиa1иb1;приφ=180°иa1=b1получаетсядополнительнаявырождённаяситуациясC=G.Конкретный особый случай: если φ = 180° и a1 = b1 т.е.ma=mbт.е. m_a = m_bт.е.ma =mb , то GA = −GB, отсюда GA + GB = 0 и получается GC = 0 → C = G. Это нельзя считать допустимой вершиной треугольника CсовпадаетсцентроидомC совпадает с центроидомCсовпадаетсцентроидом, значит нет допустимого треугольника.

Граничные/особые случаи, когда построение невозможно или неоднозначно

m_a ≤ 0 или m_b ≤ 0 — физически невозможно медианыположительнымедианы положительнымедианыположительны. (Надо m_a, m_b > 0.)φ = 0° или φ = 180° — медианы коллинеарны → треугольник вырождается; нет невырожденного решения. Еслидопускаютвырожденный,тостроитсяодноколлинеарноерасположение.Если допускают вырожденный, то строится одно коллинеарное расположение.Еслидопускаютвырожденный,тостроитсяодноколлинеарноерасположение.φ = 180° и m_a = m_b — даёт C = G невозможныйслучайдлятреугольниканевозможный случай для треугольниканевозможныйслучайдлятреугольника.Двойственность ориентации нестрогаянеоднозначностьне строгая неоднозначностьнестрогаянеоднозначность: при 0 < φ < 180° построение даёт два зеркально-симметричных решения в зависимости от стороны, в которую откладывается второй луч; эти два решения конгруэнтны, поэтому с точки зрения «треугольник как фигура до движения в плоскости» решение единственно. Если же требуют именно расположение в фиксированной плоскости с указанием ориентации, то есть два зеркальныезеркальныезеркальные.

Дополнительные замечания

Можно явно выразить расстояния между вершинами через a1, b1, φ: AB = |GA − GB|, т.е.
AB^2 = a1^2 + b1^2 − 2 a1 b1 cos φ,
и т.д.; поэтому при желании можно заранее вычислить длины сторон получающегося треугольника.Отметим ещё раз: никакой дополнительной «ограничивающей» неравенств между m_a, m_b и φ (при 0 < φ < π) не требуется: для любых положительных m_a, m_b и угла в открытом интервале 0,π0, π0,π конструкция даёт корректный невырожденныйневырожденныйневырожденный треугольник.

Короткая резюме:

Построение: от точки G отложить GA=2/3 m_a и GB=2/3 m_b под углом φ, через A и B провести параллельные прямые к GB и GA, получить D, отразить D через G → C.Существует и единственно доконгруэнтностидо конгруэнтностидоконгруэнтности при m_a>0, m_b>0 и 0<φ<π.Невозможно всмысленевырожденноготреугольникав смысле невырожденного треугольникавсмысленевырожденноготреугольника: φ=0° или φ=180° особенноприφ=180°иma=mbдаётещёC=Gособенно при φ=180° и m_a=m_b даёт ещё C=Gособенноприφ=180°иma =mb даётещёC=G.
8 Окт в 12:52
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир