Помню, в школе мы доказывали, что медианы треугольника пересекаются в одной точке. И что биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке. Более того, высоты и серединные перпендикуляры треугольника тоже обладают тем же свойством.
Вот только доказывались эти теоремы.... как? Да в том-то и дело, что каждая из них доказывалась как-то по-своему, у каждой из них был свой способ.

Я хочу показать вам, дорогие читатели, единый способ доказательства этих теорем. Доказательства, использующего теорему Чевы.
Вот её формулировка:

Пусть точки A",B",C" лежат на прямых BC,CA,AB треугольника . Прямые AA",BB",CC" пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда

Прежде чем перейти к доказательству, замечу, что равенство в формулировке не такое уж заумное и трудно запоминающееся, как может показаться на первый взгляд. Действительно, чтобы получить это равенство, нам достаточно выбрать произвольную вершину треугольника, например, B, и начать обходить треугольник по часовой стрелке. Обойдя треугольник, мы пройдём по каждому из отрезков как раз в той последовательности, в которой они встречаются в равенстве.

Доказательство .

Прямая теорема.

С одной стороны,
S AOB"/S COB" =AB"/B"C
С другой стороны, это же отношение площадей равно отношению высот треугольников AOB" и COB", проведенных к основанию OB", равно как и отношение площадей треугольников AOB и COB.

Таким образом, AB"/B"C = S AOB/S COB.

Записав аналогичные равенства для отношений CA"/A"B и AC"/C"B и затем перемножив их всех, получим требуемое утверждение.

Обратная теорема.

Итак, допустим, у нас выбраны точки A", B", C" на сторонах треугольника и выполняется равенство из условия.
Пусть AA" и BB" пересекаются в точке О. Проведем прямую СО и пусть она пересекает сторону AB в некоторой точке C"". Тогда, согласно прямой теореме, у нас будет выполняться то самое огромное равенство, в котором вместо точки C" будет точка C"". Исходя из выполнения этих двух равенств - с точкой C"", как мы показали, и с точкой C" из условия обратной теоремы, делаем вывод, что точки C"" и C" совпадают.

Можно записать условие Чевы в форме синусов :
Это условие легко получить, применив теорему синусов к треугольникам ABA" и ACA". Для них получаем A"B/AA"= sinBAA" /sinABA" и A"C/AA"=sinA"AC/sinA"CA. Разделив одно равенство на другое, получаем A"B/A"C=sinBAA" /sinA"AC * (sinBCA/sinABC)

Записав аналогичные равенство для остальных отрезков и перемножив их, получаем условие Чевы в форме синусов.

Согласно теореме Чевы, то, пересечение медиан треугольника в одной точке - доказывается в одну строчку.
Согласно теореме Чевы в форме синусов, пересечение биссектрис в одной точке доказывается в одну строчку.
А вот доказательство того, что высоты треугольника пересекаются в одной точке - это, согласно теореме Чевы в форме синусов, доказывается в две строчки. В первой строчке доказательства нам следует написать известное тригонометрическое тождество -
sin(90 - a ) = cos a

Трусова Наташа и Сергушова Наташа

Теоретический материал по теме "Теорема Чевы "и ее практическое применение

Скачать:

Предварительный просмотр:

Областная научная конференция школьников

«Инициатива молодых»

Теорема Чевы. Применение при решении задач

Работу выполнили:

Ученицы 9б класса

МАОУ «Лицей №3»

Трусова Наталья

Сергушова Наталья

Научный руководитель: –

Попова Нина Федоровна,

Учитель математики

МАОУ «Лицей №3»

Саратов. 2011год.

Введение………………………………………………………………………………………………….……...…3

Глава I

Теорема Чевы…………………………………………………………………………………………………....4

Глава II

Доказательства теоремы……………………………………………………………………………………5

Некоторое преобразования, связанные с теоремой Чевы……………………………….8

Глава III

Применение теоремы для решения задач………………………………………………………..9

Заключение……………………………………………………………………………………………………….10

Приложения………………………………………………………………………………………………………11

Список литературы……………………………………………………………………………………………14

Введение

Крылатую фразу Козьмы Пруткова «Никто не обнимет необъятного» в полной мере можно отнести и к геометрии треугольника. В самом деле, треугольник, как кладезь прекрасных и поразительных геометрических конструкций, поистине неисчерпаем. Их пестрота и изобилие, с трудом поддающиеся какой-либо систематизации, не могут не восхищать. И кажется, если уж такая простая с виду область геометрии настолько сложна, то в чем вообще можно разобраться?

Интересно попробовать понять, почему тот или иной результат геометрии треугольника оказывает на нас большее или меньшее воздействие. Красивая теорема в геометрии треугольника связана, как правило, с замечательными точками, прямыми или окружностями. Прямая или окружность замечательны, если содержат замечательные точки треугольника. Точка тем более замечательна, чем с более естественными и содержательными конфигурациями треугольника она взаимодействует. Поэтому в первый ряд следует поставить, конечно, таких заслуженных ветеранов, как М - точку пересечения медиан, О – центр описанной окружности, I – центр вписанной окружности, Н – точку пересечения высот, а так же точка G Жергонна и точка N Нагеля.

С точками первого порядка связаны теоремы о прямой Эйлера, окружности девяти точек. Точками второго порядка можно считать точки, являющиеся «производными» от точек первого порядка, т.е. полученные из них под действием какого-либо преобразования или как пересечение замечательных линий первого порядка. Сюда можно отнести точку L Лемуана (точку пересечения прямых симметричных медианам относительно соответствующих биссектрис, такое преобразование называется изогональным сопряжением), антиортоцентр треугольника H m (точку пересечения прямых, проходящих через точки, симметричные основаниям высот относительно соответствующих середин сторон, и противолежащие вершины, это преобразование называется изотомическим сопряжением), точку I m пересечения антибиссектрис (изотомически сопряженную точку пересечения биссектрис). Точки третьего порядка определяются аналогично, как производные точек второго порядка.

Глава I

Теорема Чевы

Большинство замечательных точек треугольника могут быть получены при помощи следующей процедуры.

Пусть у нас имеется некоторое правило, согласно которому мы сможем выбрать определенную точку А 1 на стороне ВС (или ее продолжении) треугольника АВС (например, выберем середину этой стороны). Затем построим аналогичные точки В 1 , С 1 на двух других сторонах треугольника (в нашем случае – еще две середины сторон). Если правило выбора удачное, то прямые АА 1 , ВВ 1 , СС 1 пересекутся в некоторой точке Z. Все замечательные точки получаются именно так.

Поэтому хотелось бы иметь какой-нибудь общий метод, позволяющий по положению точек на сторонах треугольника определять, пересекаются ли соответствующая тройка прямых в одной точке или нет.

Универсальное условие, «закрывшее» эту проблему, нашел в 1678 г. итальянский инженер Джованни Чева (отрезки, соединяющие вершины треугольника с точками на противолежащих сторонах, называют чевианами). Можно смело сказать, что эта теорема служит фундаментом всей геометрии треугольника.

Глава II

Доказательства теоремы Чевы

Теорема Чевы: случай внутренней точки.

Выберем в произвольном треугольнике АВС точки А 1 , В 1 , С 1 на сторонах ВС, СА, АВ соответственно. Следующие два утверждения равносильны:

а) прямые АА 1 , ВВ 1 , СС 1 пересекаются в некоторой внутренней точке Z треугольника АВС;

б) (условие Чевы).

Доказать прямую теорему Чевы (а б) проще всего, заменив отношения отрезков в условии Чевы на отношения площадей:

Следовательно, .

Точно так же получим, что

Теперь осталось только перемножить эти три равенства:

Обратная же теорема Чевы следует из прямой: пуст АА 1 и ВВ 1 пересекаются в точке Z. Пусть прямая СZ пересекает сторону АВ в треугольнике в точке С 2 . Для точек А 1 , В 1 , С 2 выполняется условие Чевы:

Сопоставим это соотношение с заданным равенством, приходим к выводу, что , т.е. С 1 =С 2 .

Теорема Чевы: случай внешней точки Бесконечно удаленные точки плоскости

Теорема Чевы остается справедливой и для внешней точки Z треугольника и точек А 1 , В 1 , С 1, одна из которых принадлежит стороне треугольника, а две другие – продолжениям сторон.

Как несложно проверить, пользуясь теоремой Фалеса, условию Чевы удовлетворяют и точки А 1 , В 1 , С 1, для которых прямые АА 1 , ВВ 1 , СС 1 параллельны.

Чтобы выделить эти ситуации в особые, удобно считать, что плоскость пополнена бесконечно удаленной прямой, составленной из бесконечно удаленных точек, в каждой их которых пересекается какое-нибудь семейство параллельных прямых. Поэтому, можно считать, что бесконечно удаленная точка указывает направление прямой. Такую модель в математике называют проективной плоскостью . На проективной плоскости любые параллельные прямые пересекаются в некоторой точке, разумеется бесконечно удаленной. При этом мы полагаем также, что бесконечно удаленная точка Z прямой АВ делит отрезок АВ пополам внешним образом:

Теорема Чевы в форме синусов

В каждом из рассмотренных случаев – и в случае внутренней точки Z, и в случае внешней точки Z – условие Чевы можно записать также в виде

Доказательство равносильности этих условий несложно. Действительно, применив теорему синусов к треугольникам АСС 1 и ВСС 1 , имеем:

Разделив одно равенство на другое, получаем:

Аналогично

Окончательно имеем:

Для внешней точки Z рассуждение аналогично.

Некоторые преобразования, связанные с теоремой Чевы

Изотомическое сопряжение . Зафиксируем на плоскости треугольник АВС. Выберем некоторую точку плоскости Z и проведем через нее и вершины треугольника прямые, пересекающие стороны треугольника (или их продолжения) в точках А 1 , В 1 , С 1 соответственно. Каждую точку отразим симметрично относительно середины той стороны, на которой она лежит. Полученные три точки обозначим через А 2 , В 2 , С 2 . Тогда прямые АА 2 , ВВ 2 , СС 2 также пересекаются в некоторой точке Z м . Эта точка называется изотомически сопряженной точке Z относительно треугольника АВС.

Корректность определения изотомического сопряжения следует из теоремы Чевы: в условии Чевы числители меняются местами со знаменателями, и если исходное произведение равнялось единице, то «перевернутое» произведение тоже равно единице.

Изогональное сопряжение. Зафиксируем на плоскости треугольник АВС. Выберем некоторую точку плоскости Z и проведем через нее и вершины треугольника прямые, пересекающие стороны треугольника (или их продолжения) в точках А 1 , В 1 , С 1 соответственно. Тогда прямые АА 2 , ВВ 2 , СС 2, симметричные прямым АА 1 , ВВ 1 , СС 1 относительно биссектрис соответствующих углов треугольника, пересекаются в одной точке Z l . Эта точка называется изогонально сопряженной точке Z относительно треугольника АВС.

Применение теоремы для решения задач

С помощью теоремы Чевы легко доказываются следующие свойства:

1. Медианы пересекаются в одной точке;
2. Высоты треугольника пересекаются в одной точке;
3. Биссектрисы внутренних углов; биссектрисы одного внутреннего и двух внешних углов треугольника пересекаются в одной точке;
4. Отрезки, соединяющие вершины треугольника с точками вписанной окружности пересекаются в одной точке.

См. Приложения.

Заключение

Теорема Чевы довольно проста в понимании. Трудности, связанные с ее освоением, оправданы применением при решении задач.

Решение задач с помощью этой теоремы более рационально, чем их решение другими способами, например векторным, которое требует дополнительных действий.

Я считаю, что такие теоремы должны быть включены в основной курс геометрии 7-х-9-х классов, так как решение задач с помощью этих теорем развивает мышление и логику учеников.

Теорема Чевы помогает быстро и оригинально решить задачи повышенной сложности.

Приложения

Доказать теорему : Медианы треугольника пересекаются в одной точке;

Точка пересечения делит каждую из них в отношении

2:1, считая от вершины.

Доказательство: Пусть АМ 1 , ВМ 2 , СМ 3 – медианы треугольника АВС. Чтобы доказать, что эти отрезки пересекаются в одной точке, достаточно доказать, что

Тогда по теореме Чевы (обратной) отрезки АМ 1 , ВМ 2 , СМ 3 пересекаются в одной точке. Имеем:

Итак, доказано что медианы треугольника пересекаются в одной точке.

Пусть О – точка пересечения медиан. Прямая М 3 С пересекает две стороны треугольника АВМ 2 и продолжение третьей стороны этого треугольника. По теореме Менелая

Рассматривая теорему Менелая для треугольника АМ 1 С и АМ 2 С мы получаем, что

Теорема даказана.

Доказать теорему : Биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке.

Доказательство: достаточно доказать, что . Тогда по теореме Чевы (обратной) AL 1 , BL 2 , CL 3 пересекаются в одной точке. По свойству биссектрис треугольника:

Перемножая почленно полученные равенства получаем:

Итак, для биссектрис треугольника равенство Чевы выполняется, следовательно, они пересекаются в одной точке. Теорема доказана.

Доказать теорему: Высоты треугольника пересекаются в одной точке.

Доказательство: Пусть AH 1 , ВH 2 , СH 3 – высоты треугольника АВС со сторонами a, b,c. Из прямоугольных треугольников АВН 2 и ВСН 2 по теореме Пифагора выразим, соответственно, квадрат общего катета ВН 2 , обозначив АН 2 =х, СН 2 =b-х. (ВН 2 ) 2 = с 2 – х 2 и (ВН 2 ) 2 = а 2 – (b - x) 2 . Приравнивая правые части полученных равенств, получаем с 2 – х 2 = a 2 – (b - x) 2 , откуда х = .

Математика – 10 класс Мендель Виктор Васильевич, декан факультета естественных наук, математики и информационных технологий ДВГГУ ТЕОРЕМЫ ЧЕВЫ И МЕНЕЛАЯ Особое место в планиметрии отведено двум замечательным теоремам: теореме Чевы и теореме Менелая. Эти теоремы не включены в базовую программу курса геометрии средней школы, но их изучение (и применение) рекомендуется всем, кто интересуется математикой чуть больше, чем это возможно в рамках школьной программы. Чем же интересны эти теоремы? Сначала отметим, что при решении геометрических задач продуктивно сочетаются два подхода: - один основан на определении базовой конструкции (например: треугольник – окружность; треугольник – секущая прямая; треугольник – три прямых, проходящих через его вершины и пересекающиеся в одной точке; четырехугольник с двумя параллельными сторонами и т.п.), - а второй – метод опорных задач (простых геометрических задач, к которым сводится процесс решения сложной задачи). Так вот, теоремы Менелая и Чевы относятся к наиболее часто встречающимся конструкциям: первая рассматривает треугольник, стороны или продолжения сторон которого пересечены некоторой прямой (секущей), во второй речь идет о треугольнике и трех прямых, проходящих через его вершины, пересекающиеся в одной точке. Теорема Менелая Эта теорема наблюдающуюся (вместе для с обратной) отношений показывает отрезков, закономерность, соединяющих вершины некоторого треугольника и точки пересечения секущей со сторонами (продолжениями сторон) треугольника. На чертежах приведены два возможных случая расположения треугольника и секущей. В первом случае секущая пересекает две стороны треугольника и продолжение третьей, во втором – продолжения всех трех сторон треугольника. Теорема 1. (Менелая) Пусть ABC пересечен прямой, не параллельной стороне АВ и пересекающей две его стороны АС и ВС соответственно в точках В1 и А1, а прямую АВ в точке С1 тогда AB1 CA1 BC1    1. B1C A1B C1 A Теорема 2. (обратная теореме Менелая) Пусть в треугольнике АВС точки А1, В1, С1 принадлежит прямым ВС, АС, АВ соответственно, тогда, если AB1 CA1 BC1   1 B1C A1B C1 A , то точки А1, В1, С1 лежат на одной прямой. Доказательство первой теоремы можно провести так: на секущую прямую опускают перпендикуляры из всех вершин треугольника. В результате получают три пары подобных прямоугольных треугольников. Фигурирующие в формулировке теоремы отношения отрезков заменяют на отношения перпендикуляров, соответствующих им по подобию. Оказывается, что каждый отрезок – перпендикуляр в дробях будет присутствовать дважды: один раз в одной дроби в числителе, второй раз, в другой дроби, в знаменателе. Таким образом, произведение всех этих отношений окажется равным единице. Обратная теорема доказывается методом «от противного». Предполагается, что при выполнении условий теоремы 2 точки А1, В1, С1 не лежат на одной прямой. Тогда прямая А1В1 пересечет сторону АВ в точке С2, отличной от точки С1. При этом, в силу теоремы 1, для точек А1, В1, С2 будет выполняться то же отношение, что и для точек А1, В1, С1. Из этого следует, что точки С1 и С2 поделят отрезок AB в одинаковых отношениях. Тогда эти точки совпадут – получили противоречие. Рассмотрим примеры применения теоремы Менелая. Пример 1. Доказать, что медианы треугольника в точке пересечения делятся в отношении 2:1 считая от вершины. Решение. Запишем полученное в теореме соотношение, Менелая для треугольника ABMb и прямой McM(C): AM c BM M bC    1. M c B MM b CA Первая дробь в этом произведении очевидно равна 1, а третья второе отношение равно 1 . Поэтому 2 2:1, что и требовалось доказать. Пример 2. Секущая пересекает продолжение стороны AC треугольника ABC в точке B1 так, что точка C является серединой отрезка AB1. Сторону AB эта секущая делит пополам. Найдите, в каком отношении она делит сторону BC? Решение. Запишем для треугольника и секущей произведение трех отношений из теоремы Менелая: AB1 CA1 BC1    1. B1C A1B C1 A Из условий задачи следует, что первое отношение равно единице, а третье 1 , 2 таким образом, второе отношение равно 2, т.е., секущая делит сторону BC в отношении 2:1. Следующий пример применения теоремы Менелая мы встретим, когда будем рассматривать доказательство теоремы Чевы. Теорема Чевы Большинство замечательных точек треугольника могут быть получены при помощи следующей процедуры. Пусть имеется некоторое правило, согласно которому мы сможем выбрать определенную точку A1, на стороне BC (или её продолжении) треугольника ABC (например, выберем середину этой стороны). Затем построим аналогичные точки B1, C1 на двух других сторонах треугольника (в нашем примере еще две середины сторон). Если правило выбора удачное, то прямые AA1, BB1, CC1 пересекутся в некоторой точке Z (выбор середин сторон в этом смысле, конечно, удачный, так как медианы треугольника пересекаются в одной точке). Хотелось бы иметь какой-нибудь общий метод, позволяющий по положению точек на сторонах треугольника определять, пересекается ли соответствующая тройка прямых в одной точке или нет. Универсальное условие, «закрывшее» эту проблему, нашёл в 1678 г. итальянский инженер Джованни Чева. Определение. Отрезки, соединяющие вершины треугольника с точками на противолежащих сторонах (или их продолжениях), называют чевианами, если они пересекаются в одной точке. Возможны два варианта расположения чевиан. В одном варианте точка пересечения – внутренняя, а концы чевиан лежат на сторонах треугольника. Во втором варианте точка пересечения внешняя, конец одного чевиана лежит на стороне, а у двух других чевиан концы лежат на продолжениях сторон (смотри чертежи). Теорема 3. (Прямая теорема Чевы) В произвольном треугольнике АВС на сторонах ВС, СА, АВ или их продолжениях взяты соответственно точки А1, В1, С1, такие, что прямые АА1, ВВ1, СС1 пересекаются в некоторой общей точке, тогда BA1 CB1 AC1   1 CA1 AB1 BC1 . Доказательство: известно несколько оригинальных доказательств теоремы Чевы, мы рассмотрим доказательство, основанное на двукратном применении теоремы Менелая. Запишем соотношение теоремы Менелая первый раз для треугольника ABB1 и секущей CC1 (точку пересечения чевиан обозначим Z): AC1 BZ B1C    1, C1B ZB1 CA а второй раз для треугольника B1BC и секущей AA1: B1Z BA1 CA    1. ZB A1C AB1 Перемножив два этих отношения, проведя необходимые сокращения получим соотношение, содержащееся в утверждении теоремы. Теорема 4. (Обратная теорема Чевы). Если для выбранных на сторонах треугольника ABC или их продолжениях точек A1, В1 и C1 выполняется условие Чевы: BA1 CB1 AC1   1 CA1 AB1 BC1 , то прямые AA1, BB1 и CC1 пересекаются в одной точке. Доказательство этой теоремы проводится методом от противного, также, как доказательство теоремы Менелая. Рассмотрим примеры применения прямой и обратной теорем Чевы. Пример 3. Докажите, что медианы треугольника пересекаются в одной точке. Решение. Рассмотрим соотношение AC1 BA1 CB1   C1B A1C B1 A для вершин треугольника и середин его сторон. Очевидно, что в каждой дроби в числителе и знаменателе стоят равные отрезки, поэтому все эти дроби равны единице. Следовательно, выполнено соотношение Чевы, поэтому, по обратной теореме, медианы пересекаются в одной точке. Задачи для самостоятельного решения Предлагаемые здесь задачи являются контрольной работой №1 для учащихся 9 классов. Решите эти задачи, запишите решения в отдельную (от физики и информатики) тетрадь. Укажите на обложке следующую информацию о себе: 1. Фамилия, имя, класс, профиль класса (например: Пупкин Василий,9 кл., математический) 2. Индекс, адрес места жительства, электронная почта (если есть), телефон (домашний или мобильный) 3. Данные о школе (например: МБОУ №1 п. Бикин) 4. Фамилия, И. О. учителя математики (например: учитель математики Петрова М.И.) Рекомендуется решить не менее четырех задач. М 9.1.1. Может ли секущая прямая из теоремы Менелая разрезать стороны треугольника (или их продолжения) на отрезки длиной: а) 3, 3, 5, 7,10, 14; в) 3, 5, 6, 7, 7, 10, Если такие варианты возможны, приведите примеры. Отрезки могут идти в разном порядке. М 9.1.2. Могут ли внутренние чевианы треугольника делить его стороны на отрезки: а) 3, 3, 5, 7,10, 14; в) 3, 5, 6, 7, 7, 10, Если такие варианты возможны, приведите примеры. Отрезки могут идти в разном порядке. Указание: придумывая примеры не забудьте проверить неваенство треугольника. М 9.1.3. Используя обратную теорему Чевы докажите, что: а) биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке; б) отрезки, соединяющие вершины треугольника с точками на противоположных сторонах, в которых эти стороны касаются вписанной окружности, пересекаются в одной точке. Указания: а) вспомните, в каком отношении биссектриса делит противоположную сторону; б) используйте свойство, что отрезки двух касательных, проведенные из одной точки к некоторой окружности, равны. М 9.1.4. Завершите доказательство теоремы Менелая, начатое в первой части статьи. М 9.1.5. Докажите, что высоты треугольника пересекаются в одной точке, используя обратную теорему Чевы. М 9.1.6. Докажите теорему Симпсона: из произвольной точки M, взятой на описанной вокруг треугольника ABC окружности, на стороны или продолжения сторон треугольника опущены перпендикуляры, докажите, что основания этих перпендикуляров лежат на одной прямой. Указание: используйте обратную теорему Менелая. Попробуйте выразить длины отрезков, используемых в отношениях, через длины перпендикуляров, проведенных их точки M. Также полезно вспомнить свойства углов вписанного четырехугольника.

ТЕОРЕМЫ ЧЕВЫ И МЕНЕЛАЯ

Теорема Чевы

Большинство замечательных точек треугольника могут быть по­лучены при помощи следующей процедуры. Пусть имеется некоторое правило, согласно которому мы сможем выбрать определенную точку A 1 , на стороне BC (или её про­должении) треугольника ABC (например, выберем середину этой стороны). Затем построим аналогичные точки B 1 , C 1 на двух других сторонах треугольника (в нашем примере еще две середи­ны сторон). Если правило выбора удачное, то прямые AA 1 , BB 1 , CC 1 пересекутся в некоторой точке Z (выбор середин сторон в этом смысле, конечно, удачный, так как медианы треугольника пересекаются в одной точке).

Хотелось бы иметь какой-нибудь общий метод, позво­ляющий по положению точек на сторонах треугольника определять, пересекается ли соответствующая тройка прямых в одной точке или нет.

Универсальное условие, «закрывшее» эту проблему, нашёл в 1678 г. итальянский инженер Джованни Чева .

Определение. Отрезки, соеди­няющие вершины треугольника с точками на противолежащих сторонах (или их продолжениях), называют чевианами, если они пересекаются в одной точке.

Возможны два варианта расположения чевиан. В одном варианте точка

пересечения – внутренняя, а концы чевиан лежат на сторонах треугольника. Во втором варианте точка пересечения внешняя, конец одного чевиана лежит на стороне, а у двух других чевиан концы лежат на продолжениях сторон (смотри чертежи).

Теорема 3. (Прямая теорема Чевы) В произвольном треугольнике АВС на сторонах ВС, СА, АВ или их продолжениях взяты соответственно точки А 1 , В 1 , С 1 , такие, что прямые АА 1 , ВВ 1 , СС 1 пересекаются в некоторой общей точке, тогда

.

Доказательство: известно несколько оригинальных доказательств теоремы Чевы, мы рассмотрим доказательство, основанное на двукратном применении теоремы Менелая. Запишем соотношение теоремы Менелая первый раз для треугольника ABB 1 и секущей CC 1 (точку пересечения чевиан обозначим Z ):

,

а второй раз для треугольника B 1 BC и секущей AA 1 :

.

Перемножив два этих отношения, проведя необходимые сокращения получим соотношение, содержащееся в утверждении теоремы.

Теорема 4. (Обратная теорема Чевы) . Если для выбранных на сторонах треугольника ABC или их продолжениях точек A 1 , В 1 и C 1 выполняется условие Чевы:

,

то прямые AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются в одной точке .

Доказательство этой теоремы проводится методом от противного, также, как доказательство теоремы Менелая.

Рассмотрим примеры применения прямой и обратной теорем Чевы.

Пример 3. Докажите, что медианы треугольника пересекаются в одной точке.

Решение. Рассмотрим соотношение

для вершин треугольника и середин его сторон. Очевидно, что в каждой дроби в числителе и знаменателе стоят равные отрезки, поэтому все эти дроби равны единице. Следовательно, выполнено соотношение Чевы, поэтому, по обратной теореме, медианы пересекаются в одной точке.

Теорема (теорема Чевы) . Пусть точки лежат на сторонах и треугольника соответственно. Пусть отрезки и пересекаются в одной точке. Тогда

(обходим треугольник по часовой стрелке).

Доказательство. Обозначим через точку пересечения отрезков и . Опустим из точек и перпендикуляры на прямую до пересечения с ней в точках и соответственно (см. рисунок).

Поскольку треугольники и имеют общую сторону , то их площади относятся как высоты, проведенные на эту сторону, т.е. и :

Последнее равенство справедливо, так как прямоугольные треугольники и подобны по острому углу.

Аналогично получаем

и

Перемножим эти три равенства:

что и требовалось доказать.

Про медианы:

1. Разместим в вершинах треугольника ABC единичные массы.
2. Центр масс точек A и B находится посередине AB. Центр масс всей системы должен находиться на медиане к стороне AB, так как центр масс треугольника ABC - это центр масса центра масс точек A и B, и точки C.
(запутанно получилось)
3. Аналогично - ЦМ должен лежать на медиане к сторонам AC и BC
4. Так как ЦМ - единственная точка, то, следовательно все эти три медианы должны пересекаться в ней.

Кстати, сразу же следует, что пересечением они делятся в отношении 2:1. Так как масса центра масс точек A и B равна 2, а масса точки C равна 1, следовательно, общий центр масс согласно теореме о пропорции будет делить медиану в отношении 2/1.

Спасибо большое, доступно изложено, думаю, будет не лишним представить док-во и при помощи методов геометрии масс, например:
Прямые AA1 и CC1 пересекаются в точке O; AC1: C1B = p и BA1: A1C = q. Нужно доказать, что прямая BB1 проходит через точку O тогда и только тогда, когда CB1: B1A = 1: pq.
Поместим в точки A, B и C массы 1, p и pq соответственно. Тогда точка C1 является центром масс точек A и B, а точка A1 - центром масс точек B и C. Поэтому центр масс точек A, B и C с данными массами является точкой O пересечения прямых CC1 и AA1. С другой стороны, точка O лежит на отрезке, соединяющем точку B с центром масс точек A и C. Если B1 - центр масс точек A и C с массами 1 и pq, то AB1: B1C = pq: 1. Остается заметить, что на отрезке AC существует единственная точка, делящая его в данном отношении AB1: B1C.

2. Теорема Чевы

Отрезок, соединяющий вершину треугольника с некоторой точкой на противоположной стороне, называется чевианой . Таким образом, если в треугольнике ABC X , Y и Z - точки, лежащие на сторонах BC , CA , AB соответственно, то отрезки AX , BY , CZ являются чевианами. Этот термин происходит от имени итальянского математика Джованни Чевы, который в 1678 году опубликовал следующую очень полезную теорему:

Теорема 1.21. Если три чевианы AX, BY, CZ (по одной из каждой вершины) треугольника ABC конкурентны, то

|BX| |XC| · |CY| |YA| · |AZ| |ZB| =1 .

Рис. 3.

Когда мы говорим, что три прямые (или отрезка) конкурентны , то мы имеем в виду, что все они проходят через одну точку, которую обозначим через P . Для доказательства теоремы Чевы вспомним, что площади треугольников с равными высотами пропорциональны основаниям треугольников. Ссылаясь на рисунок 3, мы имеем:

|BX| |XC| = SABX SAXC = SPBX SPXC = SABX− SPBX SAXC− SPXC = SABP SCAP .

Аналогично,

|CY| |YA| = SBCP SABP , |AZ| |ZB| = SCAP SBCP .

Теперь, если мы перемножим их, то получим

|BX| |XC| · |CY| |YA| · |AZ| |ZB| = SABP SCAP · SBCP SABP · SCAP SBCP =1 .

Теорема, обратная к этой теореме, также верна:

Теорема 1.22. Если три чевианы AX, BY, CZ удовлетворяют соотношению

|BX| |XC| · |CY| |YA| · |AZ| |ZB| =1 ,

то они конкурентны .

Чтобы это показать, предположим, что две первые чевианы пересекаются в точке P , как и прежде, а третья чевиана, проходящая через точку P , будет CZ′ . Тогда, по теореме 1.21,

|BX| |XC| · |CY| |YA| · |AZ′| |Z′B| =1 .

Но по предположению

|BX| |XC| · |CY| |YA| · |AZ| |ZB| =1 .

Следовательно,

|AZ| |ZB| = |AZ′| |Z′B| ,

точка Z′ совпадает с точкой Z , и мы доказали, что отрезки AX , BY и CZ конкурентны (, стр. 54 и , стр, 48, 317).

Три чевианы треугольника проходят через одну точку или параллельны тогда и только тогда, когда

Пусть лежат на прямых треугольника . Прямые параллельны или пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда

26. Если точки и лежат соответственно на сторонах и треугольника или на их продолжениях , то они коллинеарны тогда и только тогда, когда

где , и обозначают отношения направленных отрезков .

27. Биссектриса угла треугольника - это луч с началом в вершине угла треугольника, делящий угол на два равных угла

Теорема о биссектрисе:

Биссектриса внутреннего угла треугольника делит противоположную сторону на отрезки, пропорциональные прилежащим сторонам треугольника

Дк-во:

Дано: , - биссектриса угла . Требуется доказать: .

Доказательство:

Проведем до пересечения с продолжением стороны . Стороны угла пересечены параллельными прямыми. Составим пропорцию: . Сравнивая эту пропорцию с той, которую нужно доказать, замечаем, что они отличаются только отрезками и . Рассмотрим эти отрезки. Они входят в , в котором (как соответственные при и секущей ) и . Но ( - биссектриса), отсюда . Следовательно, . Заменим в полученной пропорции на : . Теорема доказана

Доказана.

27(2). . Пропорциональные отрезки - отрезки, для длин которых выполняется пропорция .

Отношением отрезков AB и CD называется отношение их длин, то есть

Обобщенная теорема Фалеса:

Если параллельные прямые, пересекающиеся двумя данными прямыми, пересекаются с первой прямой в точках А, В, С, а со второй прямой соответственно в точках А 1 , В 1 , С 1 , то

Дк-во:

Проведем через точку А прямую АС1, параллельную прямой В D (С1- точка пересечения этой прямой с прямой С D ). Тогда треугольник ОАВ подобен треугольнику АСС1 по первому признаку подобия треугольников (угол О= углу САС1, угол ОАВ=углу С). Следовательно, ОА/АС=ОВ/АС1. Так как АС1=В D , то ОА/ОВ=АС/В D . Теорема доказана.

28. Отрезок АВ является средним пропорциональным (или средним геометрическим ) для отрезков АС и ВС, если:

Теорема:

Катет прямоугольного треугольника есть среднее пропорциональное или среднее геометрическое между гипотенузой и проекцией этого катета на гипотенузу

Дк-во:

Пусть прямой угол в треугольнике-С, катеты АС и ВС. Проведём из вершины прямого угла высоту СМ. Проекции катетов МА и МВ. Рассмотрим треугольники АВС И АМС. Они подобны по двум углам: оба прямые и угол А общий. Запишем отношение сторон АВ/АС= ВС/МС= АС/МА Имеем АС в квадрате= АМ*АВ. (х - есть среднее пропорциональное между а и в если выполняется а/х= х/в х^2=а*в.) Аналогично для треугольников АВС и ВМС ВС^2=АВ*ВМ.

Теорема:

Высота в прямоугольном треугольнике есть среднее пропорциональное между отрезками гипотенузы.

Дк-во:

Рассмотрим треугольники АСМ и ВСМ. Они оба подобны треугольнику АВС, а значит подобны между собой Запишем отношения сторон ВМ/СМ=СМ/АМ СМ^2=АМ*ВМ.

29. Синусом острого прямого угла прямоугольного треугольника называется отношение противолежащего катета к гипотенузе.

sinA = BC / AB

Косинусом острого угла прямоугольного треугольника называется отношение прилежащего катета к гипотенузе.

cosA = AC / AB

Тангенсом острого прямоугольного треугольника называется отношение противолежащего катета к прилежащему катету.

tgA = BC / AC

Основное тригонометрическое тождество:

Дк-во:

Пусть треугольник АВС прямоугольный (АВ-гипотенуза). sinA=ВС/АВ (1) cosA=AC/AB (2). Теперь докажем справедливость основного тригонометрического тождества: . Из формул (1) и (2) получаем: sin^2A+cos^2A=ВС^2/AB^2+AC^2/AB^2=BC^2+AC^2/AB^2. По теореме Пифагора BC^2+AC^2=AB^2, .

30.

31. касательной точкой касания прямой и окружности.

Теорема:

Касательная к окружности перпендикулярна к радиусу, проведенному в точку касания.

Дк-во:

Пусть р-касательная к окружности с центром О. А- точка касания. Докажем, что касательная р перпендикулярна к радиусу ОА. Предположим, что это не так. Тогда радиус ОА является наклонной к прямой р. Так как перпендикуляр, проведенный из точки О к прямой р, меньше наклонной ОА, то расстояние от центра О окружности до прямой р меньше радиуса. Следовательно, прямая р и окружность имеют две общие точки. Но это противоречит условию: прямая р- касательная. Таким образом, прямая р перпендикулярна радиусу.

32. . Прямая, имеющая с окружностью только одну общую точку, называется касательной к окружности, а их общая точка называется точкой касания прямой и окружности.

Теорема:

Если прямая проходит через конец радиуса, лежащий на окружности, и перпендикулярна к этому радиусу, то она является касательной.

Дк-во:

Из условия теоремы следует, что данный радиус является перпендикуляром, проведенным из центра окружности к данной прямой. Поэтому расстояние от центра окружности до прямой равно радиусу, и, следовательно, прямая и окружность имеют только одну общую точку. Но это и означает, что данная прямая является касательной к окружности. Теорема доказана.

33. Угол с вершиной в центре окружности называется ее центральнм углом .

вписанным углом .

Теорема:

Вписанный угол измеряется половиной дуги, на которую он опирается.

Дк-во:

Пусть /_ АВС- вписанный угол окружности с центром О, опирающийся на дугу АС . Докажем, что /_ АВС= ½ дуги АС. Решение. Луч ВО совпадает с одной из сторон угла АВС, например со стороной ВС. В этом случае дуга АС меньше полуокружности, поэтому /_ АОС=дугеАС. Так как угол АОС- внешний угол равнобедренного треугольника АВО, а углы ОВА и ВАО при основании р/б треугольника равны, то /_АОС= /_ОВА+/_ВАО=2/_ОВА. Отсюда следует, что 2/_ОВА=дугеАС или /_АВС=/_ОВА=1/2дугиАС. Теорема доказана.

34. центральнм углом .

Угол, вершина которого лежит на окружности, а стороны пересекают окружность, называется вписанным углом .

Следствия из теоремы о вписанном угле:

Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу равны.

Вписанный угол, опирающийся на полуокружность(диаметр)- прямой.

35. Угол с вершиной в центре окружности называется ее центральнм углом .

Угол, вершина которого лежит на окружности, а стороны пересекают окружность, называется вписанным углом .

Теорема о произведении отрезков двух хорд:

Если две хорды окружности пересекаются, то произведение отрезков одной хорды равно произведению отрезков другой хорды.

Дк-во:

Пусть хорды АВ и С D пересекаются в точке Е. Докажем, что АЕ*ВЕ=СЕ* DE . Рассмотрим треугольники А DE и СВЕ. В этих треугольниках углы ЕА D и ЕСВ равны, так как они опираются на одну и ту же дугу В D , а углы АЕ D и СЕВ равны как вертикальные. По первому признаку подобия треугольников, треугольник ADE ~ треугольнику СВЕ. Отсюда следует, что АЕ/СЕ= DE / BE , или АЕ*ВЕ=СЕ* DE . Теорема доказана.