Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Василевский, А. Б. Методы решения задач учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
20.10.2023
Размер:
7.94 Mб
Скачать

Построим \HMq\i _\AD] и [£7(о]_1_[£>С]. Очевидно, |Л<Г/С|]= IZDA<f|—

= \DM0\ — \DK0\-

Построим еще один треугольник АВС, отвечающий условиям за­ дачи (рис. 79). Измерив масштабной линейкой отрезки [M0D], [DK0] (на обоих чертежах) и сравнив их с длинами отрезков [AD] и [DC], приходим к предположению, что |УИД'| = \DM<\ — [D7C0| == 0,5 b).

Теперь задачу на вычисление можно свести к задаче на доказа­ тельство. Итак, попытаемся доказать, что при любом значении уг­ ла а \МК\ = 0,5 (а Ь).

Во-первых, установим, как связаны между собой а, ср, а, Ь. Из прямоугольных треугольников АРВ и PBD получаем:

|.4Р| =

0,5 + b);

\PD\ = \ A D \ - \АР\ = 0,5 (а -

6); \РВ\ = |4 P |tg 2 a=

 

= 0,5(a +

b) tg2a; tg2cp = \PB\: \PD\ =

*g2a-

По

теореме синусов из треугольника

AHD находим

 

-

т

\н р \

 

 

 

sin (180" — a — ф)

sin a

 

Отсюда

sma \HD\ = а sin (a -f- cp)‘

Из прямоугольного треугольника HM0D

\M0D\ = |HD\ cos cp = a

sin a cos ф

sin (a -f- ф)

150

Выполнив аналогичные преобразования, из треугольников DEC и ЕК0С получаем

sin a sin ф cos (а — ф)

Итак, нам нужно доказать, что

 

 

 

 

\МК\ = а

sin a cos ф

sin asm ф

а b

 

(5)

sin + ф)

cos (а — ф)

2

 

 

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg2<P =

д —

tg 2а

 

 

(6)

(а >

Ь , 0 < 2ф <

90°,

0 < 2а <90°).

 

 

 

Из равенства (6)

находим

 

 

 

 

 

,sin 2 t o — а)

 

 

 

Ь = а ~-■—о / I г-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2

(ф +

а)

 

 

 

 

 

Подставив

полученное значение

b в

равенство

(5)

и разделив

обе части на а, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

sin a cos ф

зш 2 (ф — a) sin a sin ф

_

1

sin 2 (ф — a)

 

зт (а -)-ф )

sin 2 (ф + a) cos (a — ф)

~

2

2 sin 2 (ф + a)

Таким образом, мы докажем, что |УИ/С| = 0,5(а — Ь),

если

пока­

жем, что равенство

(7)

справедливо для всех а

и ф, удовлетворя­

ющих условиям:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 <

2ф < 90°, 0 < 2а'<

90’.

 

 

 

(8)

После очевидных

преобразований равенство (7)

принимает

вид

sin а

соБф

 

 

sin (ф — а ) э т ф

 

=

 

_______ '------------------------—------- -------

\-------

 

 

з!п(а-|-ф )

sin (ф +

a) cos (ф +

а)

 

 

 

_

sin 2 (ф +

а) — sin 2 — а)

 

 

 

 

~4sin (ф + a) cos (ф -J- а)

или, после умножения левой и правой части

равенства на sin -f

+ “) Ф 0:

sin (ф — a) sin ф

sin 2 (ф +

a) — sin 2 (ф

sin a cos ф —

 

cos (ф + a)

4 cos + a)

Очевидно,

sin 2 (ф -(- a) — sin 2 (ф — a) = 2 cos sin 2a.

151

Поэтому равенство (9) можно преобразовать к

виду

 

^

cos ср cos (cp + а) — sin (cp — a) sin cp

cos2cpsin2cp

 

 

cos (cp + a)

2 cos](cp +

a)

или

 

 

 

 

sin a [cos cp cos (cp 4- a) — sin (cp — a) sin cp] =

,cos Pep sin 2cp

 

 

 

/j

 

(в силу

условия

(8) cos(cp + a ) = ^ 0).

 

 

Разделив обе

части равенства (10) на sinra=^0, имеем

 

 

cos cp cos (cp + a) — sin (cp — a) sin cp = cos 2ф cos a.

(11)

Так как

cos ф cos (ф + a) = 0,5 [cos a + cos (2cp -f a)],

sin (ф — a) sin cp = 0,5 [cos a — cos (2ф — a)],

то равенство (11) преобразуется к виду

0,5 [cos (2ф + a) -f cos (2ф — a)] = cos 2ф cos a.

Заменив сумму, стоящую в квадратных скобках, произведением, убеждаемся в справедливости тождества (12).

Итак, доказано, что \МК\ = 0,5 (а — Ь).

Развитие функционального мышления учащихся и обучение их элементам математической деятельности можно считать главными задачами современного математического образования. Исследова­ тельский подход к геометрическим задачам в том виде, как он опи­ сан в рассмотренных задачах, позволяет обучать учащихся матема­ тической организации эмпирического материала, логической орга­ низации математических фактов и применению математической тео­ рии. Школьники обучаются поиску решения задач.

 

Упражнения

 

 

 

1. Квадрат

ABCD задан координатами своих

вершин А,

В и

D: А (0, 0);

В (8 , 0); D (0,

8 ). Из точек С и Л по сторонам квадрата в одно и

то же вре­

мя, против хода часовой стрелки, с постоянной

скоростью

начали движение

точки М и К . Причем скорость движения точки Л4 в два раза больше скорости

движения точки К ■ Точка Е — середина

отрезка [Л4К].

 

 

1)

Построить путь движения точки Е;

 

 

 

 

2)

составить уравнение множества

середин Е всех отрезков [Л4Л,'];

 

3)

доказать, что множество У^ имеет ось симметрии.

 

 

2 .

Дан £_ВАС. Точка М расположена

внутри этого угла. Точка К £

\АС).

Точка D = [КМ) Q [АВ). Точка К движется

по лучу

[АС) (от точки А).

 

1)

Как изменяется площадь Д AKD при движении точки К по лучу [АС)?

2)

указать то положение точки К на луче \АС),

при котором

Д AKD

имеет

наименьшую

площадь.

 

А(0, — 3) и 5(0,5)

и параллельны

3.

Прямые а и & проходят через точки

оси абсцисс.

Угол РОЕ делится осью абсцисс на два

конгруэнтпых]угла, каждый

из которых

равен a (0 < а < 45")- Точка Л4 = [ОР) П b, К = [ОЕ) П а.

 

152

1)

Определить | ОМ \ и | OK I;

сравнить

| ОМ \ и | ОЛТ |;

 

РОЕ около точки О

2)

как изменяются

| ОМ | и | ОК \ при

вращении

угла

против

хода часовой стрелки (угол вращения не превышает

 

а)? При повороте на

какой

угол угла РОЕ точки /VI не существует? Чему равна

 

| ОК | при

этом

угле

поворота?

Существует

ли

такой

поворот

угла

РОЕ,

в

 

результате

которого

| МО | = |

КО |?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

Как изменяются | ОМ | и | OK | при вращении угла РОЕ около точки О по

ходу часовой

стрелки

(угол вращения не превышает а)?

При повороте на какой

угол угла РОЕ

точки

К

не

существует?

Существует

ли

такой поворот угла

РОЕ,

в результате которого | МО | = \КО |?

 

 

 

 

что Д МКО является

4)

Угол а = 30°. Существует ли такая точка М на Ь,

правильным?

Почему?

 

 

 

ли такая

точка М

на

 

Ь,

что ДМ /(О = 30°?

5)

Угол а = 45°. Существует

 

Почему?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что ДКЛЮ

подо­

6)

Существуют ли на прямых а и b такие точки К и М,

бен любому данному треугольнику?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Даны четыре параллельные плоскости а,

(3, <р,

у.

 

Прямая а £ а .

Плос­

1)

Плоскость ф проходит через а и перпендикулярна

плоскости а .

кость i|) пересекает плоскости |3

и ф соответственно по прямым б и с .

Доказать,

что на прямых а, Ь и

с существуют соответственно точки

А, В и С, которые

являются вершинами правильного треугольника АВС;

 

 

 

h,

перпендикулярная

2)

через центр О треугольника АВС проведена прямая

 

плоскости АВС.

Пересекает ли прямая /г плоскость у?

 

 

часовой стрелки

(угол

3)

Плоскость г|/ вращается

около прямой а

по ходу

 

вращения О < 0 < 9 О °). Как изменяется расстояние между прямыми а,Ь и с с уве­

личением 0 ?

Как изменяется при этом

длина стороны

правильного треугольника

АВС, вершины которого принадлежат прямым

а,

b и

с? Как

изменяется

|ДО |

(D = h П у)

с

увеличением

угла 0

от 0Ч

до

90°?

Как

изменяются

| AD | ,

| BD | и | CD |?

Существует ли такое значение 0 ,

при

котором

четырехугольная

пирамида DABC является правильным тетраэдром?

у существуют соответственно

4) Доказать, что на плоскостях

а, (3, ф,

такие точки At , Вг, Сх,

что пирамида AlB1C1D1 подобна

любой данной тре­

угольной пирамиде.

 

 

 

 

 

 

 

 

Г лав а 6. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

§ 1. Ме т од ы г е о м е т р и ч е с к и х п р е о б р а з о в а н и й

Метод параллельного переноса

Метод параллельного переноса заключается в том, что пере­ носят на некоторый вектор какой-нибудь отрезок или другую часть исследуемой фигуры и сводят анализ (построение) данной фигуры к анализу (построению) вспомогательной, более простой фигуры, затем выполняют обратный перенос и переходят к анализу (построе­ нию) фигуры, указанной в задаче.

Задача 1. Построить четырехугольник ABCD, зная его стороны и отрезок [РК], соединяющий середины сторон [AD] и [ВС].

Допустим, что нужный нам четырехугольник построен (рис. 80).

Перенесем сторону [DC] на вектор DP

и сторону [АВ] на вектор

АР. Теперь из точки

Р

исходят три

известной

величины

отрезка

[PCJ, [РК] и [PBJ.

 

что точка

К

является

серединой

отрезка

Нетрудно убедиться,

[ С ^ ] . В самом деле,

отрезки [ССП

и

[BBJ конгруэнтны

0,5 [AD]

и параллельны [АП]. Поэтому четырехугольник СХСВХВ является параллелограммом. Точка К — середина его диагонали [СВ]. Поэтому К принадлежит диагонали [CjBJ и является ее серединой.

Таким образом, у треугольника РСХВХ известны стороны РСХ, РВХ и заключенная между ними медиана РК. Как построить такой треугольник? Для этого построим точку Ри симметричную Р

относительно К ■ Очевидно, | СхРг | = | РВХ|. Треугольник

РРХС1

можно построить по

трем

известным

сторонам:

[РСХ] 22 [DC],

[С Л ] 2 2 [В В И В А В ] и

[РРХ] ==2 [РК].

Теперь

очевидно,

что для

того чтобы данная задача имела решение,

необходимо,

чтобы

отрезки [DC], ]АВ] и

2 [РК] были такими,

из

которых можно

построить треугольник РСХРХ.

 

 

 

 

 

Теперь построим искомый четырехугольник.

[РРХ] точкой К на

Строим треугольник РСХРХ.

Делим отрезок

две равные части. Строим точку Ви симметричную Сх относительно К. Строим по трем известным сторонам треугольники СХКС и КВВХ.

Переносим отрезок [СХС] на вектор СХР в положение [PD]). Пере­

154

носим отрезок [BBJ на вектор ВгР (в положение [АР]). Все четыре вершины искомого четырехугольника ABCD построены.

Обоснование выполненного построения предоставляем читателю. Задача 2. Даны две окружности О (R) и Ог (Rx) и прямая р, причем R > Rx. Параллельно прямой р провести прямую, образую­ щую в данных окружностях хорды АВ и CD, сумма которых равна

данному отрезку т.

Допустим, что (AD) || р и | АВ [ + | CD \ = т (рис. 81). Перенесем

окружность (tf:) на вектор СВ (в положение 0\). Тогда хорда CD займет положение BDX и | ADX\ — т.

С

Построим [OP] _L (АВ)

и [0\Е] ± (BDx).

Очевидно, | РД|

= 0,5т.

Прямая (ОхО0 пересекает

[ОР] в точке К.

Причем | К0\

\ =

| РЕ \ =

= 0,5/п и (КО\) II р■ Из проведенного

анализа

понятно

следующее

решение задачи.

 

ОКОи

 

ОхК которого

Строим прямоугольный треугольник

катет

параллелен прямой р. Строим отрезок [Л’О Л ^О .бт.

Строим окруж­

ность О,' (^i). В пересечении с окружностью

О (R) получаем точку В.

Через В проводим прямую, параллельную р.

В пересечении с дан­

ными окружностями получаем искомые хорды АВ и CD. Исследуем, сколько решений может иметь задача. Во-первых,

можно построить единственный прямоугольник ОКОъ катет ОгК которого параллелен прямой р. Поэтому существуют и единствен­

ные точка 0\ и окружность О\ (Ri). Отсюда ясно, что если окруж­

ности О (R) и 0\ (Rx) не пересекаются, то задача решений не имеет. Если они касаются (в точке В), то решение одно. Если

окружности О (R) и Oi (Rx)

пересекаются

в двух

точках В В'

(рис. 81), то задача имеет

дэа решения:

хорды

АВ и C D ,'А'В'

и C D ’,

 

 

 

155

Метод осевой симметрии

Метод осевой симметрии заключается в следующем. Задача пред­ полагается решенной, и одна точка (прямая) из данных в условии задачи заменяется точкой (прямой), симметричной относительно некоторой прямой. После этого симметричная точка (прямая) под­ чиняется тем условиям, которым должна удовлетворять замененная точка (прямая). В результате получаем новую задачу, которая решается каким-нибудь из известных уже способов.

Рис. 82

Задача 3. Дан остроугольный треугольник АВС. Построить такую точку X, чтобы четырехугольник АВСХ был: 1) вписываемый

и2) описываемый.

1)Описываем окружность со вокруг треугольника АВС (рис. 82). Из условия задачи ясно, что точка X принадлежит той дуге окруж­ ности со, которой не принадлежит точка В. Выясним, сколько решений может иметь задача. Путь для определенности | ВА | > | ВС |.

Четырехугольник АВСХ вписываемый, если

| ВС | + | АХ \ — \ ВА | +

+ 1СХ |. При движении точки X по дуге АтС (которой

не принад­

лежит В)

от А

к С | АХ | увеличивается

от

нуля до

| АС | (тре­

угольник

АВС

остроугольный,

поэтому

| АС |

меньше

диаметра

описанной

окружности), а | СХ |

уменьшается

от | АС | до нуля.

Каждая _сторона треугольника меньше суммы остальных двух сторон. Поэтому на дуге АтС существует единственная точка X,

такая,

что | ВС | -+- | АХ | = | ВА |

| СХ |.

АтС. Построим биссек­

2) Пусть

X — искомая точка

на дуге

трису

[ХН)

угла АХС. Построим точку Р,

симметричную С относц-

156

тельно (ХН). Очевидно, Р£(АХ).

Причем

I АР

=

АХ

— | Р Х | =

=

АХ | — | С Х | = | Л В | — |5 С |, так

как

|ВС

+

АХ

=

 

| ВА \ +

+

СХ\.

Угол АХС известен (как угол,

вписанный

в данную

окруж-

ность

и

опирающийся на данную

хорду

АС).

Поэтому

известен

и острый / СРХ равнобедренного

треугольника

СРХ,

а

следова­

тельно, и смежный с ним тупой угол

АРС.

Теперь

у треугольника

АРС известны

стороны |ЛС |, \АР\

и

тупой £ АРС. Кроме того,

| АР |

< | АХ | <

| АС |. Поэтому по сторонам \АС\

и | ЛР |

и

тупому

углу

можно построить единственный

треугольник

АСР,

принадле­

жащий сегменту АтС. Искомая точка X определяется пересечением прямой {АР) с дугой АтС.

Задача 4. Угол FMD — острый. Точки А и В принадлежат его стороне [MF). На луче [MD) построить такую точку X, чтобы раз-

 

 

л

 

 

 

л

 

 

 

 

 

 

 

 

83).

 

 

 

 

ность ВАХ АВХ была данной величины (рис.

 

При движе-

Установим

сначала, сколько

решений имеет задача.

нии

точки

X

 

по лучу

[MD)

(вправо

от

 

 

 

л

 

 

 

точки М) ВАХ умень-

шается

от

 

180°

Д

При

таком

 

 

 

 

Л

 

увеличи-

 

до BMD.

движении X АВХ

вается

от

0° до

угла,

сумма

которого

 

 

 

л

 

равна

180°.

вместе с BMD

Поэтому

 

 

 

Л

Л

 

при

таком

движении точки X умень­

а = ВАХ АВХ

шается от 180° до 0Э (по условию

задачи

угол

ВАХ

больше

угла

АВХ).

Причем а =

0°,

если точка

X

лежит

на

симметрали

отрезка [Л£].

Таким

образом,

задача

имеет

единственное

решение

при любом значении а.

 

 

 

 

относительно

прямой

(MD).

Строим точку Л1,

симметричную А

157

Строим отрезки [ЛХБ] и

[Л ^ ]. Нетрудно

убедиться, что

Л3ХБ =

= 360° — 2 AjAB +

а.

 

 

 

Таким образом,

л

известна, если

известен угол

а. Теперь

АгХВ

можно построить дугу окружности, которая стягивается хордой АгВ

и в которую вписывается известный

/_ А^ХВ. Пересечение

этой

дуги с прямой (MD) дает нам искомую точку X.

 

Метод вращения

 

Метод вращения заключается в том,

что, повернув какую-либо

данную или искомую фигуру вокруг

некоторого центра на

пеко-

Рис. 84

 

торый угол, сводят анализ рассматриваемой фигуры к

анализу

более простой фигуры, а потом выполняют обратное

вращение

и в результате получают искомую фигуру. Центр вращения и угол

поворота

следует выбирать так, чтобы в

результате" поворота

совместились равные элементы или получилось более

простое их

взаимное расположение.

 

вершины которого лежали бы по

Задача

5. Построить квадрат,

одной на каждой из трех данных параллельных прямых а, Ь, с.

Анализ. Пусть квадрат

ABCD — искомый

(рис. 84).

Замечаем,

что точка

D переводится

в точку

В вращением вокруг

центра А

на угол 90° (против хода часовой стрелки). Если повернуть вокруг центра А всю фигуру на прямой угол, то вершина D при этом окажется в положении точки В, а прямая с перейдет "в прямую с', перпендикулярную прямой а и проходящую через вершину В искомого квадрата. При этом вращении треугольник ADM перейдет в конгруэнтный ему Д AM'В (сторона [ЛУИ] перпендикулярна прямой с и сторона [AM’] перпендикулярна прямой с'). Таким обра­ зом, вершина В искомого квадрата ABQD ярляется пересечением

158

прямых а и с'. Вершина

А

при

построении

может

быть

выбрана

произвольно на прямой Ъ.

Ь отмечаем

произвольную

точку

А.

Построение.

На

прямой

Из нее опускаем перпендикуляр

[AM] на прямую с.

Вращаем

пря­

мую с вокруг точки А

до

совмещения с прямой с’,

т.

е. строим

на прямой b отрезок [AM'],

конгруэнтный

[AM],

и

через

точку М

проводим прямую

с’ !_ Ь.

Получаем

В — с' [\а.

На

полученном

отрезке [АВ] строим квадрат ABCD.

 

решения

предоставляем

Обоснование

построения

и исследование

читателю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод гомотетии

и подобия

 

 

 

 

 

Метод гомотетии

и подобия

заключается в следующем. Данная

задача сводится

к

задаче

на

построение

фигуры,

 

гомотетичной

(подобной) искомой, т. е. отбрасывается какое-нибудь одно из условий, характеризующих размеры искомой фигуры. Потом построен­ ная вспомогательная фигура подвергается преобразованию гомотетии

(подобия)

так, чтобы

после

преобразования

уже

выполнялось

и ранее отброшенное условие.

В результате

получается искомая

фигура.

6. Даны острый /_ ВАС и внутри

него

точка М. По­

Задача

строить на стороне [АС) угла

точку X, равноотстоящую от стороны

[АВ) и от точки М (рис.

85).

 

 

 

Построим луч [AM). Заменим данную задачу более простой.

На стороне [АС)

<ВАС дана точка Х г. Построить

на луче [AM)

точку М± такую, чтобы

расстояние

| Х 1Н1 \ от Хх до луча

[АВ)

было равно \ХхМх\.

{АВ)

и

окружность

Хх( | Х хЯ х|).

При

любом

Строим [ХхЯ х]

положении точки Хх на

стороне [АС)

острого /_ ВАС

эта

окруж­

ность пересекает луч [AM) в двух

точках М ± и М\.

 

 

 

 

Теперь ясно, что

если М = м \

или М = Mv то точка

X = Хх.

Если М ф М г и М ф М \,

то

через

М

проводим

(МН)

|| (ЛДЯХ)

(рис. 85). Из точки Н восставляем

перпендикуляр к

[АВ).

В пере­

сечении этого перпендикуляра с лучом [АС) получаем искомую точку X. Справедливость этого утверждения следует из подобия

треугольников Я хХх/и!

и НХМ.

 

 

если

проведем через

Еще одно решение

(точку X 1) получим,

М прямую,

параллельную (МХЯ х).

В

пересечении

с (АВ) получим

точку Н'.

Восставим

перпендикуляр

к (АВ)

в точке Н'. При его

пересечении с лучом [АС) получим точку X ' .

пересечь отрезком

Задача 7. Данную трапецию ABCD (рис.

86)

[ЕЯ], параллельным основаниям,

так,

чтобы

он

разделился диаго­

налями на конгруэнтные отрезки

[ЕХ], [КМ]

и [МН].

159

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ