Осваиваем простые приемы решения геометрических задач

Идея I

Если в четырехугольнике суммы противоположных углов равны 180°, то вокруг этого четырехугольника можно описать окружность.

Задача. Дан прямоугольный треугольник ABC. На катете АС выбрана произвольная точка М. Из точки М опущен перпендикуляр MN на гипотенузу. Докажите, что углы MCN и MBN равны.

Решение. Угол MNB — прямой. По условию, треугольник ABC прямоугольный, значит, есть еще один прямой угол. Обратим внимание на четырехугольник MNBC: в нем есть два противолежащих прямых угла, их сумма равна 180°. Следовательно, вокруг четырехугольника MNBC можно описать окружность. Углы, равенство которых нужно доказать, опираются на одну дугу MN и являются вписанными. Два вписанных угла опираются на одну и ту же дугу, значит, они равны.

Идея II

Если известен угол треугольника, можно найти угол между биссектрисами, обращенными в сторону этого угла.

Задача. Дан треугольник ABC. Проведены биссектрисы углов A и С, они пересекаются в точке O. Найдите угол AOC (т.е. есть угол между биссектрисами).

Решение. Известно, что ∠ABC = ∠В. Эту задачу легко решить с помощью теоремы суммы углов треугольников. ∠A + ∠C = 180° – ∠B. Суммы половинок углов А и С равны 90° – ½ ∠B. Тогда ∠AOC = 90° + ½ ∠B.

Совмещение идей I и II

Некоторые задачи находятся как бы на пересечении нескольких идей решения.

Задача. Дан треугольник ABC. Известно, что угол В равен 60°. Проведены биссектрисы углов: АК и СМ, они пересекаются в точке О. Докажите, что отрезок ОМ равен отрезку ОК.

Решение. Найдем угол АОС по формуле 90° + ½ ∠B. ∠В = 120°. Обращаем внимание на четырехугольник МВКО. В нем сумма противоположных углов равна 180°, значит, вокруг него можно описать окружность. О — точка пересечения биссектрис треугольника АВС. Следовательно, луч ВО делит угол АВС пополам. ∠МВО = ∠ОВК. Данные углы являются вписанными, значит, равны и дуги, на которые они опираются. Дуга МО равна дуге ОК. Известно, что равные дуги стягивают равные хорды. Хорда ОМ равна хорде ОК.

Идея III

Если из двух точек, лежащих в одной полуплоскости, отрезок между двумя другими точками виден под одним и тем же углом, то эти 4 точки лежат на одной окружности.

Задача. Дан остроугольный треугольник АВС. Проведены две высоты: АК и СN. Докажите, что серединный перпендикуляр отрезка NK пересекает отрезок АС в середине (точка О является серединой отрезка АС).

Решение. ∠ANC = ∠AKC. Мы можем нарисовать окружность вокруг четырехугольника ANKC. Отрезок NK является в этой окружности хордой, а АС — диаметром, поскольку он виден из точек N и K под прямым углом. Серединный перпендикуляр проведен к хорде, он содержит диаметр окружности. Два диаметра пересекаются в центре окружности. О — это центр окружности. АО и ОС — это диаметры. Следовательно, АО = ОС.

Идея IV

Если в треугольнике продлить медиану и построить параллелограмм, можно извлечь много дополнительных данных для решения задачи.

Задача. Дан треугольник АВС и его медиана ВМ. Известно, что ВМ в два раза меньше стороны АВ. Докажите, что угол МВС равен сумме ∠А + ∠С.

Решение. Воспользуемся построением параллелограмма. Проведем МК. BM = ½ ВК. Следовательно, АВ = ВК. В этом случае треугольник АВК является равнобедренным. В равнобедренном треугольнике углы при основании равны, значит, ∠ВАК = ∠ВКА. ∠КАМ = ∠С. ∠АКВ = ∠СВК. Из этого мы получаем необходимое равенство.

Совмещение идей III и IV

Задача. Дан треугольник АВС, в котором проведена медиана ВМ. На медиане ВМ выбрана точка К так, что ∠ВАС = ∠АКМ. Докажите, что ∠ АСВ = ∠МКС.

Решение. Продлим медиану на ее длину и получим точку N. BM = MN. ABCN — параллелограмм. ∠BAC = ∠ACN. Из точек К и С, лежащих по одну сторону от прямой, видим отрезок AN под одним и тем же углом. Вокруг четырехугольника AKCN описываем окружность. Поскольку ABCN — параллелограмм, ∠NAC = ∠BCA. Но углы NAC и NKC являются вписанными, опирающимися на одну дугу. Следовательно, ∠NAC = ∠NKC. Так мы доказали, что ∠МКС = ∠МСВ.

Идея V

Если в прямоугольном треугольнике АВС проведена медиана из вершины прямого угла, то медиана СМ будет равняться половине гипотенузы АВ. То есть СМ = АМ = МВ.

Задача. Дан треугольник АВС. На внешние стороны построены два прямоугольных треугольника: ADB и BEC. Докажите что отрезок DE, соединяющий вершины прямых улов, не больше полпериметра треугольника АВС.

Решение. Проведем медианы через точки M и N (середины сторон АВ и ВС). Соединим точки, образовав четырехугольник DENM. Звено ломаной DE не превосходит сумму длин отрезков DM + MN + NE. DE ≤ DM + MN + NE = ½ АВ + ½ АС + ½ ВС. Следовательно, DE ≤ ½ Р_авс

Факт, обратный данному. Если в треугольнике АВС медиана СМ равна половине стороны АВ, значит, АСВ = 90°. Т.е. если в треугольнике медиана равна половине стороны, к которой она проведена, то этот треугольник является прямоугольным. Рассмотрим эту идею, продемонстрировав также, как только с помощью линейки можно решить задачу на построение перпендикуляра к данной прямой.

Возьмем линейку с ценой деления 1 см. Отложим отрезки: точки А, М и В, так, что АМ = МВ = 1 см. Развернув линейку, поставим точку F (MF = 1 см) и точку К (МК = 1 см). С помощью линейки соединим A и F, B и K и продлим прямые до пересечения в точке С. На рисунке виден треугольник АFВ. FM в нем медиана, равняющаяся половинке стороны. Следовательно, угол F — прямой. Таким же свойством обладает треугольник АКВ. В треугольнике АСВ отрезки АК и ВF являются высотами. Значит, точка H в пересечении высот является центром треугольника. Если соединить СН и продлить в СЕ, это тоже будет высота треугольника АВС. Следовательно, СЕ перпендикулярно АВ. Так, только с помощью линейки мы провели прямую, перпендикулярную данной.

В  учебниках авторства Мерзляка А.Г., Полонского В.Б. и Якира М.С. образцовые задачи, демонстрирующие ту или иную идею решения, выделены и обозначены изображением ключа.