Składanie inwersji z symetrią»Zadanie 7
o zadaniu...
- Zadanie pochodzi z artykułu Składanie inwersji z symetrią
- Publikacja w Delcie: kwiecień 2020
- Publikacja elektroniczna: 1 kwietnia 2020
- Artykuł źródłowy w wersji do druku [application/pdf]: (390 KB)
Dany jest trójkąt ostrokątny
w którym
Punkty
i
są odpowiednio środkami boków
i
a punkt
jest spodkiem wysokości opuszczonej z wierzchołka
Okrąg przechodzący przez punkty
i
jest styczny do okręgu opisanego na trójkącie
w punkcie
różnym od
Udowodnić, że środek ciężkości trójkąta
leży na prostej 
jest styczny do boków
i
trójkąta
oraz do okręgu opisanego na tym trójkącie w punkcie
Okrąg
jest styczny do półprostych
i
oraz jest styczny zewnętrznie do okręgu opisanego na trójkącie
w punkcie
Wykazać, że
jest wpisany w okrąg
Prosta
jest równoległa do prostej
i przecina odcinki
i
odpowiednio w punktach
i
a okrąg
w punktach
i
(gdzie
leży między punktami
i
). Okrąg
jest styczny do odcinków
i
oraz do okręgu
; okrąg
jest styczny do odcinków
i
oraz do okręgu
Wyznaczyć miejsce geometryczne punktów przecięcia wspólnych stycznych wewnętrznych okręgów
i
przy zmieniającym się położeniu prostej 
zachodzi równość
będzie punktem przecięcia przekątnych równoległoboku. Wyznaczyć
z twierdzenia cosinusów dla trójkąta
, podobnie trzy pozostałe kwadraty długości boków.
leży na boku
trójkąta
. Niech
,
,
i
. Dowieść, że
(twierdzenie Stewarta).
. Wyznaczyć lewą i prawą stronę z twierdzenia cosinusów dla trójkątów odpowiednio
i
, a następnie przekształcić otrzymaną równość, by otrzymać
.
i
mające wspólny początek
które zostały podane w kolejności antyzegarowej. Prosta
przecina je odpowiednio w punktach
i
Dowieść, że wartość wyrażenia
nie zależy od wyboru prostej
(niezmienniczość dwustosunku).
będzie odległością punktu
od prostej
Oznaczmy przez
kąty pomiędzy półprostymi odpowiednio
i
i
i
Wówczas obliczając na dwa sposoby pole trójkąta
otrzymamy
i 
Punkty
i
leżą odpowiednio na odcinkach
i
przy czym trójkąt
jest równoboczny. Dowieść, że suma pól trójkątów
i
jest równa polu trójkąta 
to
Niech
Zadanie sprowadza się do wykazania równości 
wpisany jest w okrąg. Na tym okręgu leży punkt
Udowodnić, że iloczyn odległości punktu
od prostych
i
jest równy iloczynowi odległości punktu
od prostych
i 
opuszczona z wierzchołka
ma długość
Odległości punktu
od prostych
i
są odpowiednio wysokościami trójkątów

leżą odpowiednio na bokach
trójkąta
Spełnione są następujące równości:

i
Obliczając pole trójkąta
na dwa sposoby, otrzymamy równość
i uprościć tę równość.
zachodzą następujące równości:
oraz
Z równości
otrzymamy po przekształceniach

są równe, a dzięki założeniu o wypukłości pięciokąta mamy
Dalszą część rozwiązania stanowią proste rachunki na kątach.
wpisanym w okrąg o środku
kąt przy wierzchołku
jest rozwarty oraz zachodzi równość
Odcinki
i
przecinają się w punkcie
Dwusieczne kątów
i
przecinają odcinek
w punktach odpowiednio
i
Dowieść, że punkt
jest środkiem odcinka 
Z twierdzenia o dwusiecznej zastosowanego dla trójkąta
otrzymujemy
Miary kątów trójkąta
wynoszą odpowiednio
więc z twierdzenia sinusów
(treść zadania + twierdzenie sinusów), otrzymamy

gdzie
jest punktem wewnątrz trójkąta równobocznego
o boku 1.
poprowadźmy proste równoległe do boków trójkąta
przecinające te boki w punktach
jak na rysunku. Wówczas
podobnie z długościami
i
stąd należy zmaksymalizować pole trójkąta
Oznaczając przez
pole figury
dostajemy
i
są podobne do
w skalach odpowiednio
i
W związku z tym
Równość otrzymamy, biorąc za punkt
środek ciężkości trójkąta
co kończy rozwiązanie.
i
przecinają się w punktach
i
Środek
okręgu
leży na okręgu
i jest końcem jego średnicy
Cięciwa
okręgu
niebędąca średnicą, przecina okrąg
oraz odcinek
odpowiednio w punktach
oraz
Prosta przechodząca przez
równoległa do
przecina odcinek
w punkcie
Dowieść, że prosta
przechodzi przez środek odcinka 

połowi kąt
Leżący na nim punkt
spełnia warunek
charakteryzujący środek okręgu wpisanego w trójkąt
Trójkąt
jest podobny do
(równe kąty przy wierzchołkach
oraz
). Otrzymujemy następujący ciąg proporcji (pierwsza z nich zachodzi, bo
jest dwusieczną kąta
w trójkącie
; druga wynika ze wspomnianego podobieństwa; a ostatnia z równoległości
):
będzie punktem przecięcia prostych
i
Wystarczy teraz zastosować twierdzenie Menelausa do trójkąta
przeciętego prostą
:


można wpisać okrąg. Przez środek każdego z odcinków
poprowadzono proste prostopadłe do przeciwległych boków czworokąta
Proste te ograniczają obszar będący czworokątem wypukłym. Wykazać, że w ten czworokąt również można wpisać okrąg.
można opisać okrąg. Niech
będzie punktem przecięcia przekątnych czworokąta. Załóżmy, że dwusieczna kąta
przecina prostą
w punkcie
zaś prostą
w punkcie
; niech ponadto dwusieczna kąta
przecina prostą
w punkcie
zaś prostą
w punkcie
Udowodnić, że okręgi opisane na trójkątach
mają punkt wspólny.
Punkty
i
leżące odpowiednio wewnątrz trójkątów
i
mają tę własność, że
Wykazać, że
oznacza pole figury 
oraz
to istnieje punkt jednocześnie symetryczny do
względem
i do
względem
; nazwijmy go
Skoro
oraz
to lewa strona dowodzonej równości przybiera postać 
jednocześnie symetryczny do
względem
oraz do
względem
i podobnie prawą stronę dowodzonej równości można przepisać jako
Do zakończenia rozwiązania wystarczy zauważyć, że trójkąty
oraz
są przystające (cecha bok-bok-bok).
Punkty
i
leżące odpowiednio wewnątrz trójkątów
i
mają tę własność, że
Wykazać, że 
oraz
to istnieje punkt jednocześnie symetryczny do
względem
i do
względem
; nazwijmy go
Trójkąt
ma boki o długościach
a jego kąt wewnętrzny przy wierzchołku
ma miarę 
jednocześnie symetryczny do
względem
oraz do
względem
Trójkąt
jest przystający do trójkąta
a kąt wewnętrzny przy wierzchołku
ma miarę
Pozostaje zauważyć, że
Teza zadania wynika więc z twierdzenia Pitagorasa zastosowanego do dowolnego z tych dwóch trójkątów.
trójkąta ostrokątnego
po jego zewnętrznej stronie, zbudowano trójkąty prostokątne równoramienne
z kątami prostymi przy wierzchołkach
Odcinki
i
przecinają się w punkcie
Punkty
i
są środkami odcinków
i
Udowodnić, że każda z prostych
jest prostopadła do prostej 
będą rzutami prostokątnymi punktów
na prostą
Trójkąt prostokątny
jest przystający do trójkąta
; analogicznie, trójkąt
przystaje do
Zatem
Z ostatniej równości wynika, że środek
odcinka
jest też środkiem odcinka
i wobec tego 
przecina odcinki
i
w punktach, które nazwiemy odpowiednio
i
Z proporcji

zatem
i w takim razie
To oznacza, że
a prosta
to prosta
prostopadła (z definicji) do 
wpisano dwa okręgi:
styczny do ramion kąta w punktach
i
oraz
- w punktach
i
Wykazać, że okręgi te wyznaczają cięciwy jednakowej długości na ich wspólnej siecznej 
i
przecinają się w punktach
i
Z punktu
leżącego na prostej
poprowadzono styczną do
w punkcie
i do
w punkcie
Udowodnić, że trójkąt
jest równoramienny.
o podstawach
i
Okręgi o średnicach
i
przecinają się w punktach
i
Przekątne trapezu przecinają się w punkcie
Dowieść, że punkty
i
leżą na jednej prostej.
jest osią potęgową pary okręgów z zadania, więc wystarczy wykazać, że punkt
ma jednakową względem nich potęgę. Można to zrobić za pomocą podobieństwa trójkątów
i 