В чистом виде тема встречается редко, но фактически присутствует в каждой задаче 18 про окружности: её центр, радиус или связь радиуса со стороной через теорему синусов. Владеешь описанной окружностью - закрываешь большой класс задач.
Что такое описанная окружность
Описанная окружность треугольника - единственная окружность, которая проходит через все три вершины. Такая окружность существует у любого треугольника, и её центр O обладает ключевым свойством равноудалённости: OA=OB=OC=R.
Положение центра O зависит от формы треугольника - это определяет, как выглядит конфигурация в задаче.
Основные формулы
Выбор формулы диктуется условием: угол и противолежащая сторона - теорема синусов; все три стороны - формула через площадь.
Полезные числовые соотношения
Две рабочие формулы, которые экономят время:
Алгоритм решения
Примеры решения
Три задачи от простой к сложной: разминка на R=abc/(4S), распознавание прямоугольного треугольника через середину гипотенузы и полноценная задача 18 про тупой угол и ортоцентр.
Пример 1. Вычисление радиуса по трём сторонам
Условие:
Стороны треугольника ABC равны AB=13, BC=14, CA=15. Найди радиус окружности, описанной около этого треугольника.
Находим площадь по формуле Герона
Полупериметр:
p=213+14+15=21
S=p(p−a)(p−b)(p−c)=21⋅7⋅8⋅6=7056=84
Применяем формулу радиуса через стороны и площадь
Применим формулу R=4Sabc:
R=4⋅8413⋅14⋅15=3362730=865
Ответ:R=865=8,125.
Пример 2. Медиана, равная половине стороны
Условие:
В треугольнике ABC точка M - середина стороны AC. Известно, что BM=21AC.
а) Докажи, что треугольник ABC прямоугольный с прямым углом при вершине B.
б) Найди радиус описанной окружности, если AB=6, BC=8.
Пункт а. Точка M равноудалена от вершин
По условию AM=MC (так как M - середина) и BM=21AC=AM=MC.
Значит, точка M равноудалена от трёх вершин: MA=MB=MC.
Пункт а. M - центр описанной окружности, AC - диаметр
По свойству описанной окружности точка, равноудалённая от всех вершин треугольника, - это её центр. Значит, M - центр окружности, описанной около △ABC.
Центр описанной окружности лежит на стороне треугольника только в одном случае - когда эта сторона является диаметром, то есть когда противолежащий ей угол прямой.
Центр M лежит на стороне AC, значит AC - диаметр описанной окружности, а ∠ABC=90∘ как вписанный угол, опирающийся на диаметр. Ч.т.д.
Пункт б. Гипотенуза и радиус
Из доказанного в пункте «а» треугольник прямоугольный, AC - гипотенуза. По теореме Пифагора:
AC=AB2+BC2=36+64=100=10
Для прямоугольного треугольника гипотенуза является диаметром описанной окружности, поэтому:
R=2AC=210=5
Ответ: б) R=5.
Пример 3. Ортоцентр и центр в тупоугольном треугольнике
Условие:
В треугольнике ABC угол A равен 120∘. Высоты BM и CN (проведённые из вершин B и C) пересекаются в точке H. Точка O - центр окружности, описанной около △ABC.
а) Докажи, что AH=AO.
б) Найди площадь треугольника AHO, если BC=3, ∠ABC=15∘.
Пункт а. Чертёж и параллелограмм BHCA'
Для тупого угла A и ортоцентр H, и центр O лежат вне треугольника - аккуратно учти это на чертеже. Обозначь Ma - середина BC.
AO=R по определению центра описанной окружности.
Докажем ключевое равенство AH=2⋅OMa. Возьми точку A′, диаметрально противоположную A на описанной окружности. Вписанные углы ∠ABA′ и ∠ACA′ опираются на диаметр AA′, значит оба равны 90∘: BA′⊥AB и CA′⊥AC. Высота CN⊥AB и высота BM⊥AC по определению. Из двух перпендикуляров к одной прямой: BA′∥CH и CA′∥BH. Получаем параллелограмм BHCA′. Его диагонали BC и HA′ делятся точкой пересечения пополам, значит Ma (середина BC) одновременно середина HA′.
Пункт а. Средняя линия и вывод AH = AO
В △AHA′ точка O - середина AA′ (середина диаметра), Ma - середина HA′ (по шагу 2). Значит, OMa - средняя линия, параллельная AH:
AH=2⋅OMa
По формуле расстояния от центра до стороны OMa=R⋅∣cosA∣. При ∠A=120∘ имеем ∣cosA∣=21, и AH=2R⋅21=R.
Из шагов 1 и 4: AH=R=AO. Ч.т.д.
Пункт б. Находим радиус по теореме синусов
Найдём ∠C в △ABC. Сумма углов равна 180∘:
∠C=180∘−120∘−15∘=45∘
Найдём радиус R по теореме синусов. Сторона BC лежит напротив угла A:
R=2sinABC=2sin120∘3=2⋅233=33=1
Из пункта «а» AH=AO=R=1.
Пункт б. Считаем площадь через основание и высоту
Посчитаем площадь △AHO через основание и высоту. Прямая AH - это высота из A, поэтому AH⊥BC. Длина перпендикуляра из O на прямую AH равна расстоянию PM вдоль BC между точкой P (основание высоты из A) и точкой M (середина BC, проекция O, так как OM - серединный перпендикуляр к хорде BC).
В прямоугольном △ABP катет BP=ABcosB=2RsinCcosB, а BM=2BC=RsinA. Раскрыв sinA=sin(B+C)=sinBcosC+cosBsinC, получаем:
PM=∣BP−BM∣=R⋅∣sinCcosB−sinBcosC∣=R⋅sin∣B−C∣
Подставим: R=1, ∣∠B−∠C∣=30∘, значит высота из O равна sin30∘=21. Площадь:
SAHO=21⋅AH⋅21=21⋅1⋅21=41
Ответ: б) 41.
Частые ошибки
Стратегия на экзамене
За что дают баллы
За задание 18 - от 0 до 3 баллов:
3 балла: Пункт «а» доказан строго, пункт «б» посчитан верно. Каждый шаг обоснован теоремой или свойством.
2 балла: Пункт «а» верен, в пункте «б» арифметическая ошибка при верной логике. Или пункт «а» не решён, но пункт «б» решён безукоризненно своим путём, без опоры на недоказанное.
1 балл: Доказан только пункт «а». Или пункт «б» решён верно с использованием утверждения из «а» как данности.
0 баллов: Нет верных математических продвижений. Голый ответ без вычислений - тоже 0.
Проверь себя
Чему равно отношение sinAa в любом треугольнике по расширенной теореме синусов?
Где лежит центр описанной окружности прямоугольного треугольника?
Катеты прямоугольного треугольника равны 6 и 8. Чему равен радиус описанной окружности?
На пересечении каких линий лежит центр описанной окружности треугольника?