Треугольники

Содержание

Алгебраический подход к планиметрии

Задачи по планиметрии на ДВИ МГУ чаще всего требуют не хитрых дополнительных построений, а уверенного владения алгебраическим методом. Суть метода: ты переводишь геометрическое условие на язык алгебры, составляешь систему уравнений относительно элементов треугольника (длин сторон, углов, площади) и решаешь её.

Чтобы этот подход работал, нужно держать в голове арсенал метрических теорем. Лист с формулами на экзамене не выдают.

Главные метрические теоремы и формулы

Для произвольного треугольника ABCABC со сторонами a,b,ca, b, c (лежащими против соответствующих углов) и полупериметром p=a+b+c2p = \dfrac{a+b+c}{2} базовыми являются следующие соотношения.

Из цепочки формул площади можно легко выражать радиусы. Например, для поиска RR есть две удобные возможности: из формулы S=abc4RS = \dfrac{abc}{4R} (тогда R=abc4SR = \dfrac{abc}{4S}) или из расширенной теоремы синусов 2R=asin⁡A2R = \dfrac{a}{\sin A}. Аналогично радиус вписанной окружности всегда даёт связка r=Spr = \dfrac{S}{p} (см. справочник, §8).

Произвольный треугольник с обозначениями

Медианы и биссектрисы также выражаются через стороны аналитически. На ДВИ эти формулы часто позволяют свести задачу к простому уравнению.

Однако на ДВИ гораздо чаще нужна не длина биссектрисы, а её главное свойство деления стороны. Это базовый инструмент для задач на отношения отрезков.

Биссектриса угла A делит сторону BC в отношении AB:AC

Для задач на отношения отрезков и конкурентность чевиан алгебраический аппарат дополняют две классические теоремы.

Менелай и Чева: секущая и три конкурентные чевианы

Замечательные точки и линии

Готовые факты о замечательных точках треугольника часто сокращают выкладки на ДВИ.

Признаки подобия и равенства

Алгебраический метод опирается на подобие как на источник пропорций. Держи признаки в активной памяти — на ДВИ их применение нужно называть явно, иначе рубрика снимает балл за необоснованный переход.

Алгоритм решения методом уравнений

Примеры разбора задач

Начнём с классической связки «площадь + теорема косинусов», которая показывает суть алгебраического подхода.

Пример 1. Связка площади и теоремы косинусов

Условие. В треугольнике ABCABC известна площадь S=103S = 10\sqrt{3}, угол ∠C=60∘\angle C = 60^\circ, а сумма квадратов сторон BC2+AC2=89BC^2 + AC^2 = 89. Найдите длину стороны ABAB.

Следующий пример иллюстрирует, как знание специфических формул для прямоугольного треугольника избавляет от сложных геометрических построений.

Пример 2. Прямоугольный треугольник и окружность

Условие. В прямоугольном треугольнике гипотенуза равна 1313, а радиус вписанной окружности равен 22. Найдите площадь этого треугольника.

Третий пример — задача уровня ДВИ, объединяющая подобие и метрические формулы.

Пример 3. Комбинация подобия и метрики

Условие. В треугольнике ABCABC проведена медиана AEAE. Известно, что ∠BAE=∠BCA\angle BAE = \angle BCA, длина стороны AB=4AB = 4, а cos⁡∠B=14\cos \angle B = \dfrac{1}{4}. Найдите длину стороны ACAC.

Медиана и подобные треугольники

Четвёртый пример вводит в работу теорему о биссектрисе и теорему Стюарта — связку, которая закрывает целый класс ДВИ-задач на чевианы.

Пример 4. Биссектриса: отношение и длина

Условие. В треугольнике ABCABC стороны AB=6AB = 6 и AC=4AC = 4, BC=5BC = 5. Биссектриса угла AA пересекает сторону BCBC в точке DD. Найдите длины отрезков BDBD, DCDC и длину биссектрисы ADAD.

Пятый пример — задача на отношения отрезков теоремой Менелая, типовой алгебраический инструмент ДВИ.

Пример 5. Теорема Менелая на отношения отрезков

Условие. В треугольнике ABCABC точка PP лежит на стороне ABAB, причём AP:PB=1:2AP:PB = 1:2, а точка QQ — на стороне BCBC, причём BQ:QC=3:1BQ:QC = 3:1. Прямая PQPQ пересекает прямую ACAC в точке RR (вне отрезка ACAC). В каком отношении точка RR делит сторону ACAC, то есть найдите CR:RACR:RA.

Шестой пример демонстрирует то, о чём предупреждает раздел ошибок: реальный отбор корней и проверку существования.

Пример 6. Отбор корней и неравенство треугольника

Условие. В прямоугольном треугольнике один катет на 77 больше другого, а гипотенуза на 88 больше меньшего катета. Найдите стороны треугольника.

Седьмой пример показывает противоположную ловушку — когда отбрасывать корень нельзя, потому что задача допускает две конфигурации.

Пример 7. Неоднозначность конфигурации (два треугольника)

Условие. В треугольнике ABCABC сторона AB=7AB = 7, сторона AC=5AC = 5, а косинус угла BB равен 1114\dfrac{11}{14}. Найдите все возможные значения длины стороны BCBC.

Восьмой пример — задача на доказательство. ДВИ любит формулировки «докажите, что…», и здесь важно не довести до числа, а строго замкнуть каждый логический переход.

Пример 8. Задача на доказательство

Условие. Докажите, что если медиана треугольника, проведённая к некоторой стороне, равна половине этой стороны, то треугольник прямоугольный.

Частые ошибки

Что запомнить

  • Симметричные системы: В задачах на площади и периметры часто возникают системы вида {x+y=A, xy=B}\{x+y = A, \ xy = B\}. Решай их подстановкой или через теорему Виета.
  • Если дана медиана — сразу вспоминай формулу удвоенной суммы квадратов 4ma2=2b2+2c2−a24m_a^2 = 2b^2+2c^2-a^2 или достраивай треугольник до параллелограмма.
  • Если в задаче биссектриса — её главное свойство BDDC=ABAC\dfrac{BD}{DC} = \dfrac{AB}{AC}, а длину быстро даёт AD2=bc−BD⋅DCAD^2 = bc - BD\cdot DC (Стюарт).
  • Отношения отрезков и конкурентность чевиан — это Менелай (коллинеарность) и Чева (одна точка).
  • Центроид делит медиану 2:12:1 от вершины; для радиусов есть готовая связка OI2=R2−2RrOI^2 = R^2 - 2Rr (откуда R⩾2rR \geqslant 2r).
  • Если треугольник прямоугольный, формулы R=c2R = \dfrac{c}{2} и r=a+b−c2r = \dfrac{a+b-c}{2} экономят половину времени на вычисления.

Оформление под рубрику ДВИ

ДВИ оценивается по outcomes-рубрике: за каждый завершённый и обоснованный логический блок ставится плюс, за пропуск или необоснованный переход — «±» (частичный балл) или минус. В геометрии важно не только довести до числа, но и строго обосновать каждый шаг и закрыть все конфигурации.

Стратегия на ДВИ

Проверь себя
  1. Биссектриса из вершины AA треугольника ABCABC пересекает сторону BCBC в точке DD. Чему равно отношение BDDC\dfrac{BD}{DC}?
  2. В прямоугольном треугольнике с катетами aa, bb и гипотенузой cc радиус вписанной окружности равен
  3. Дана конфигурация SSA: две стороны и угол не между ними. Квадратное уравнение на третью сторону дало два положительных корня, и оба удовлетворяют неравенству треугольника. Что писать в ответ?
  4. Формула Эйлера связывает расстояние между центрами вписанной и описанной окружностей: OI2=R2−2RrOI^2 = R^2 - 2Rr. Какое неравенство из неё следует?