O ortocentrach i parabolach, a zwłaszcza o twierdzeniu odwrotnym Steinera

W Delcie 11/2017 został przedstawiony (bez dowodu) fakt, że dla czterech dowolnych prostych (tak dowolnych, że są parami nierównoległe i żadne trzy nie mają punktu wspólnego) ortocentra wyznaczonych przez nie czterech trójkątów leżą na jednej prostej, a okręgi opisane na tych trójkątach mają punkt wspólny. Ponadto parabola, której kierownicą jest prosta zawierająca ortocentra, a ogniskiem punkt wspólny okręgów opisanych jest styczna do czterech wyjściowych prostych (Rys. 1).

Z przyczyn dla mnie samego niejasnych ta ciekawostka spowodowała, że - chyba pierwszy raz od matury - pochyliłem się nad planimetrią. W dalszej części można się zapoznać z dowodem, którym zaowocowały moje rozważania. Skorzystamy w nim z następujących twierdzeń, które same w sobie są całkiem interesujące:

Twierdzenie 1 (Steiner). Jeśli punkt $P$ leży na okręgu opisanym na trójkącie $BC, A$ to odbicia symetryczne punktu $P |$ względem prostych $B,BCA$ i $CA |$ leżą na jednej prostej, przechodzącej przez ortocentrum trójkąta $BCA |$ (Rys. 2). Prostą tę nazywamy prostą Steinera punktu $|P$ w trójkącie $BC. A$

Dowód tego twierdzenia został omówiony na łamach Delty w listopadzie 2016 roku. Na potrzeby dalszych rozważań bardziej będzie nam potrzebne twierdzenie odwrotne.

Twierdzenie 2. Dany jest trójkąt $BC A |$ i punkt $P | .$ Jeśli obrazy punktu $|P$ w symetriach względem boków trójkąta $BC A$ leżą na jednej prostej, wtedy punkt $P |$ leży na okręgu opisanym na trójkącie $BC. A$ Ponadto prosta zawierająca odbicia symetryczne punktu $P | ,$ zawiera ortocentrum trójkąta $BC. A$

Kolejną wariację na temat twierdzenia Steinera pozwolę sobie nazwać twierdzeniem dualnym, ponieważ zamienia ono niejako rolę prostych i punktów.

Zanim przejdziemy do dowodów powyższych twierdzeń, przyjrzyjmy się, jak z ich pomocą można udowodnić wyjściowy problem czterech prostych.

Odbicia punktu $| P$ względem prostych $| a,b,c$ i $| d$ leżą na prostej $|CD,$ więc (na mocy Twierdzenia 2) punkt ten leży na okręgach opisanych na każdym z trójkątów $abc, | bcd, abd$ i $|acd,$ a prosta $CD$ zawiera ortocentra wszystkich tych trójkątów. Związek współliniowości ortocentrów ze wspólnym punktem okręgów opisanych, który został wspomniany w wyjściowym artykule jako podejrzenie/wskazówka, jest wyraźnie widoczny.

Teraz należy jeszcze wykazać, że parabola wyznaczona przez ognisko $|P$ i kierownicę $|CD$ jest styczna do prostych $a, | b,c$ i $d.$ Skorzystamy tu z następującego faktu, którego uzasadnienie można znaleźć w Deltoidzie 6/2018:

Lemat (charakteryzacja stycznych do paraboli). Prosta jest styczna do paraboli o ognisku $F$ i kierownicy $| f$ wtedy i tylko wtedy, gdy jest symetralną pewnego odcinka łączącego $F$ z punktem na $f .$

Ponieważ wiemy, że odbicia symetryczne $P$ względem prostych $|a,b,c$ i $d$ leżą na $|CD,$ natychmiast otrzymujemy, że $a, | b,c$ i $d$ są styczne do interesującej nas paraboli. Kończy to dowód przytoczonego na wstępie faktu.

Przedstawione rozumowanie pokazuje w dodatku, że punkt okręgu opisanego i jego prosta Steinera wyznaczają parabolę styczną do prostych zawierających boki trójkąta. Można się zastanowić, czy jest to jednoznaczna charakteryzacja wszystkich takich parabol. Tutaj nie będziemy tego rozważać.

Teraz pozostaje już tylko udowodnić twierdzenia 2 i 3. Zaczniemy od dowodu twierdzenia odwrotnego.

Dowód twierdzenia odwrotnego. Niech $,Y X$ i $Z$ będą odbiciami punktu $P$ względem prostych, kolejno $BC,$ i $B. A$ Jeśli $,YX$ i $Z$ nie są parami różne, punkt $P$ musi pokrywać się z jednym z wierzchołków trójkąta (więc, oczywiście, leży na okręgu opisanym). Podobnie jest w przypadku, gdy $|P$ leży na prostej $YZ. X$ Powinno się to stać jasne, jeśli zauważymy, że trójkąt $BC A$ jest wyznaczony przez symetralne odcinków $,PYP | X$ i $P Z.$ Bez straty ogólności możemy przyjąć, że punkt $|Y$ leży pomiędzy $|X$ i $Z.$ Dowód sprowadza się do przeliczeń na kątach. Na początku zauważamy następujące równości:

,?APC=?C,YA ?CXY = ?Y ZA P=?ZAB, ?P CB ?BA ○ YCYZ=180.+ ?X + ?A

Analizując trójkąt wyznaczony przez proste $B,BC |A$ i $Z,X |$ otrzymujemy:

180○= ?CBA

Podstawiając poprzednie równości, otrzymujemy:

180 ○= ?CBA

zatem $PC. |?P CB$ Ostatnia równość oznacza, że czworokąt $PC BA |$ jest wpisany w okrąg, czyli to, co należało wykazać. Dzięki podstawowemu twierdzeniu Steinera prosta zawierająca odbicia symetryczne pewnego punktu z okręgu opisanego względem boków trójkąta przechodzi przez ortocentrum.

Na zakończenie udowodnimy twierdzenie dualne.

Dowód twierdzenia dualnego. Odbicia symetryczne prostej przechodzącej przez ortocentrum mają punkty wspólne z okręgiem opisanym (np. odbicia ortocentrum). Zauważmy, że jeśli obraz jest styczną, musi być równoległy do boku trójkąta, a tym samym do wyjściowej prostej. Ta zaś może być równoległa do co najwyżej jednego boku trójkąta, więc przynajmniej dwa jej odbicia nie są stycznymi.

Wiemy zatem, że pewien obraz wyjściowej prostej ma drugi punkt wspólny z okręgiem. Oznaczmy ten punkt przez $P | .$ Prosta Steinera punktu $P$ musi być wyjściową prostą, ponieważ ma z nią co najmniej dwa punkty wspólne (ortocentrum i pewne odbicie $P$ ).

To kończy dowód, ponieważ każdy punkt okręgu opisanego leży na odbiciu symetrycznym swojej prostej Steinera względem dowolnego boku trójkąta.

Miło jest czasem powrócić do geometrii.