Исследовательская работа по математике "Свойства педального треугольника. Точка Брокара"

Аннотация

        Исследовательская работа посвящена рассмотрению свойств педального треугольника, месторасположения точки Брокара. Были использованы такие понятия как педальный треугольник,  угол Брокара, точка Брокара, прямая Симсона. В работе показано практическое применение рассматриваемых понятий, быстрый способ решения задачи из ЕГЭ.

Руководитель         /И.М. Рузанова./

Содержание

Введение        4

Глава 1. Общая характеристика треугольника как

 геометрической  фигуры                                                                                6

Глава 2. Педальный треугольник как разновидность треугольника.

 Точка Брокара                                                                                                 8

Глава 3. Свойства педального треугольника и их применение

в решении задач                                                                                             11

Заключение        19

Терминологический словарь         20

Список литературы        21

Введение

Треугольник - первая геометрическая фигура, встречающаяся в древних орнаментах. В Египте он символизировал триаду духовной воли, любви, интуиции и высшего разума человека, то есть его личность или душу.

В герметической идеографии треугольник с устремленной к верху вершиной, символизирует огонь и отвечает идее вознесения, духовности, красному цвету. Треугольник с горизонтальной чертой считается пассивным и означает воздух, умеренный огонь, соответствующий синему цвету. Перевернутый треугольник означает чашу, готовую принять воду; мудрость, порождающую главную идею; зеленый цвет. Треугольник воздуха с горизонтальной чертой символизирует Землю, неподвижную стоячую воду и соответствует черному цвету. Ацтеки использовали изображение треугольника с вершиной наверху, соединенного с перевернутым треугольником, в качестве символа временного цикла, Треугольник в сочетании с крестом образует алхимический знак Серы.

Равносторонний треугольник, символизирующий, по древнееврейской традиции, совершенство, у христиан означает Троицу - Отца, Сына и Святого Духа. Высокий треугольник (с углом 36° на вершине и двумя углами в 72° у основания) образует один из лучей пятиугольника; при увеличении этого угла в 10 раз получается окружность в 360°. Десять прилегающих друг к другу треугольников образуют десятиугольник. Светящаяся Дельта - это равнобедренный треугольник (с углом 108° на вершине и двумя углами по 36° у основания), в середине которого расположены Божественный Глаз (видимое Солнце, дающее Свет и Жизнь, Логос, Творческое начало) или священная Тетраграмма I E V Е, имя Бога, которое иудейский первосвященник произносил лишь один-единственный раз в году. Его три стороны являют собой выражение формулы: правильно думать, правильно говорить, правильно делать, или лозунг: Свобода, Равенство, Братство.

В данной работе рассматриваются понятия  и свойства педального треугольника, прямой Симсона, точки и углов Брокара и на наглядном уровне рассматривается месторасположение точки Брокара, исследуются свойства педального треугольника. С помощью логико-математических рассуждений проведено вычисление сторон, площади педального треугольника.

Актуальность исследования обусловлена ежегодным усложнением заданий ЕГЭ, что требует углубленных знаний не только в алгебре, но и геометрии.

Цель. Рассмотреть теоретические аспекты педального треугольника, точки Брокара и их практическое применение.

Задачи:

1. Дать общую характеристику треугольнику как геометрической фигуры.
2. Рассмотреть педальный треугольник как разновидность треугольника, точку Брокара.
3. Показать практическое применение свойств педального треугольника и расположения точки Брокара.

Объект исследования: треугольник как геометрическая фигура.

Предмет исследования: свойства педального треугольника.

Гипотеза: если выяснить свойства педального треугольника, месторасположение точки Брокара и овладеть ими, то возникает объективная возможность для решения задач повышенной сложности.

Глава 1 Общая характеристика треугольника как геометрической фигуры

Треугольником называется геометрическая фигура, ограниченная тремя прямыми. У треугольника могут быть три неравные стороны (разносторонний треугольник), две равные стороны (равнобедренный треугольник) или три равные стороны (равносторонний треугольник). В равнобедренном треугольнике углы, лежащие против равных сторон, равны; в равностороннем треугольнике все углы равны.

Прямоугольным называется треугольник, у которого один из углов прямой. Сторона, лежащая против прямого угла, называется гипотенузой; две стороны, образующие прямой угол, называются катетами. Знаменитая теорема Пифагора гласит; квадрат длины гипотенузы в прямоугольном треугольнике равен сумме квадратов длин катетов, или c2 = a2 + b2.

Длина перпендикуляра, опущенного из вершины прямого угла на гипотенузу, есть среднее пропорциональное длин отрезков, на которые основание перпендикуляра делит гипотенузу.

Углы внутри треугольника называются внутренними; углы, которые образуются, если стороны треугольника продлить за их вершины, называются внешними. Сумма внутренних углов треугольника равна развернутому углу. Любой внешний угол равен сумме двух внутренних углов, не имеющих с ним общей вершины.

Отрезок прямой, соединяющий вершину треугольника с серединой противолежащей стороны, называется медианой. Три медианы треугольника пересекаются в одной точке, которая делит каждую медиану в отношении 2:1, считая от вершины. Точка пересечения медиан является также центром тяжести треугольника (треугольник, вырезанный из однородного по толщине и плотности материала и подвешенный в этой точке, будет находиться в равновесии). Высотой треугольника называется перпендикуляр, опущенный из одной из его вершин на противоположную сторону (или ее продолжение). Все три высоты треугольника пересекаются в одной точке, которая называется ортоцентром. Биссектрисы всех углов треугольника также пересекаются в одной точке, которая является центром вписанной окружности и равноудалена от всех сторон треугольника.

Прямая, пересекающая треугольник и параллельная одной из его сторон, делит две другие стороны на пропорциональные отрезки. Биссектриса любого угла треугольника делит противоположную сторону на отрезки, пропорциональные длинам сторон, образующих угол.

Два треугольника (любые фигуры) называются равными (или конгруэнтными), если они переводятся друг в друга преобразованиями движения. Преобразование одной фигуры в другую называется движением, если оно сохраняет расстояния между точками.

Существует три признака равенства треугольников: два треугольника равны, если 1) две стороны и угол между ними одного треугольника равны соответственно двум сторонам и углу между ними другого треугольника; 2) сторона и прилежащие к ней углы одного треугольника равны соответственно стороне и прилежащим к ним углам другого треугольника; и 3) три стороны одного треугольника равны соответственно трем сторонам другого треугольника. Если треугольники можно перевести друг в друга преобразованием движения, не выводящим их из плоскости, в которой оба они лежат, то они называются собственно конгруэнтными; если же один из треугольников необходимо перевернуть, то треугольники называются несобственно конгруэнтными.

Преобразование одной фигуры в другую называется преобразованием подобия, если при этом преобразовании расстояния между точками изменяются в одно и то же число раз. Две фигуры подобны, если они переводятся друг в друга преобразованием подобия.

Площадь любого треугольника равна половине произведения его стороны на проведенную в ней высоту.

Таким образом, треугольник является важной геометрической фигурой.

Глава 2 Педальный треугольник как разновидность треугольника. Точка Брокара

Треугольник – одна из основных фигур, изучаемых в геометрии. Вот уже два с половиной тысячелетия треугольник является символом, атомом геометрии.

Тем не менее, изучаемые конструкции, связанные с треугольником, далеко не исчерпывают всех возможных. Примером тому служит педальный треугольник.

Пусть Р – любая точка внутри данного треугольника АВС, и пусть перпендикуляры, опущенные из точки Р на стороны ВС, СА, АВ треугольника, будут РА1, РВ1 и РС1. треугольник А1В1С1, вершинами которого являются основания этих перпендикуляров, называется педальным треугольником треугольника АВС для «педальной точки» Р.

Если при построении педального треугольника углы получаются равными, то они называются углами Брокара, а педальная точка - точкой Брокара. Чтобы построить точку Брокара, надо провести окружность через две вершины треугольника АВС, затем прямую, параллельную противоположной стороне выбранной вершины. Соединим третью вершину с точкой пересечения параллельной прямой и окружности. Эта прямая пересечет окружность внутри треугольника. Точка пересечения будет является точкой Брокара.

Угол Брокара определяется по формуле , а площадь педального треугольника точки Брокара равна

Теорема 1. Если точка Брокара Р есть точка пересечения медиан, то треугольник АВС правильный.

Доказательство. Так как подобен , то AD:BD=PD:AD,  и AD=DC. Тогда BD=DC∙√3 и BD2=DC2.3. Перепишем последнее равенство в таком виде:  Из этой пропорции следует, что треугольники DBC и DCP подобны. Значит, . Получаем:  и AB=BC.

Теорема 2. Если точка Брокара Р является пересечением медианы СМ с биссектрисой АЕ, то треугольник правильный.

Доказательство. Так как ВР=АР, то отрезок РМ в треугольнике АВР служит медианой, так и высотой. Но тогда отрезок СМ в треугольнике АВС также служит высотой и медианой, а значит и биссектрисой, следовательно, точка Р – пересечение биссектрис, треугольник АВС правильный.

Теорема 3. Если точка Брокара Р является точкой пересечения медианы СМ с высотой ВD, то треугольник АВС правильный.

Доказательство. Из подобия треугольников МВР и МСВ следует, что МВ:МС=МР:МВ или МВ2=МС.МР, но по условию МВ=МА, тогда МА2=МС.МР и МА:МС=МР:МА. Следовательно, треугольник АМР подобен треугольнику СМА и угол МАР равен углу МСА, а значит  и AB=BC, Р – точка пересечения медиан, т.е. треугольник АВС правильный.

Теорема 4. Если точка Брокара Р является точкой пересечения биссектрисы СМ с высотой BD, то треугольник АВС правильный.

Доказательство. Так как Р – точка Брокара, то  и  (СМ является биссектрисой в треугольнике АВС). Отсюда следует, что , в треугольнике АРС стороны АР и РС равны.

В равнобедренном треугольнике АРC высота PD является и медианой, т.е. AD=DC. Следовательно, высота BD в треугольнике АВС является и медианой. Точка Брокара Р в треугольнике АВС является пересечением биссектрисы СМ с медианой BD, отсюда, по предыдущей теореме, треугольник АВС правильный.

Таким образом, треугольник, вершинами которого являются основания перпендикуляров, опущенных от внутренней точки треугольника, называется педальным.

Глава 3 Свойства педального треугольника и их применение

 в решении задач

10. Если расстояние от педальной точки до вершины треугольника АВС равны х, у, z, то длины сторон педального треугольника равны где R – радиус описанной окружности.

Дано: треугольник АВС, Р – педальная точка. АР=х, ВР=у, СР=z, R – радиус описанной окружности.

Доказать: 

Доказательство: Около каждого из полученных четырехугольников ВС1РА1, СВ1РА1, АС1РВ1 можно описать окружность (по свойствам описанного четырехугольника). Прямые углы в точках С1 и В1 указывают на то, что эти точки лежат по окружности с диаметром АР, другими словами, точка Р лежит на окружности, описанной вокруг треугольника АВ1С1. Аналогично, точка Р лежит на окружностях, описанных вокруг треугольников СА1В1, ВС1А1. 

Опишем окружность около четырехугольника АВ1РС1; ее диаметром будет АР.

Пусть В1С1=а1, тогда на основании теоремы синусов^[1] для треугольника С1АВ1      (1).

Применив теорему синусов к самому треугольнику АВС, получим  (2).

Разделив почленно равенство (1) на равенство (2), получим: .

Аналогично: , где . А так как АР=х, ВР=у, СР=z, то длины сторон педального треугольника равны .

Замечание 1. Если Р является центром описанной окружности (х=у=z=R), длины сторон педального треугольника равны .

Замечание 2. Если Р является центром вписанной окружности, то , , , где  

20. Основания перпендикуляров, опущенных из точки на стороны треугольника, лежат на одной прямой, тогда и только тогда, когда эта точка лежит на описанной окружности.

Прямая, содержащая эти основания, известна как прямая Симсона данной точки относительно данного треугольника. Прямая Симсона приписывалась ему, поскольку она казалась типичной для его геометрических идей. Однако историки тщетно пытались найти ее в его работах. В действительности она была открыта в 1797 году Вильямом Уоллесом.

30. Если из точки L внутри треугольника опущены перпендикуляры la, lb, lc, соответственно на стороны а, b, с треугольника, то .

Дано: треугольник АВС, а, b, с – стороны треугольника АВС,  – педальная точка, la, lb, lc – перпендикуляры от L, ha, hb, hc – высоты треугольника АВС.

Доказать: 

Доказательство: Соединим точку L c вершинами треугольника. Треугольник АВС разобьется на три треугольника. Назовем площади этих треугольников Sa, Sb, Sc.

Имеем: .

Сложив, получим , а так как Sa+Sb+Sc=S, то .

Следствие. В равностороннем треугольнике сумма расстояний от произвольной точки, взятой внутри треугольника, до его сторон есть величина постоянная, равная высоте треугольника.

40. Перпендикуляры, опущенные их точки, лежащей в плоскости треугольника, на его стороны, определяют на сторонах шесть отрезков так, что сумма квадратов трех отрезков, не имеющих общих концов, равна сумме квадратов других трех отрезков.

Дано: треугольник АВС, OL, OM, ON  - перпендикуляры.

Доказать: AL2+BM2+CN2=LB2+MC2=AN2

Доказательство: т.к. OL, OM, ON – перпендикуляры,

то AO2-AL2=BO2-BL2 или

Сложив эти три равенства, получим: AL2-BL2+BM2-MC2+CN2-NA2=0 или AL2+BM2+CN2=BL2+MC2+NA2.

50. Третий педальный треугольник подобен исходному.

Дано: АВС, Р – педальная точка.

Доказать:  подобен

Доказательство: Если соединить точки А и Р, то получим двойники: одна - при вершине В1, а другая при вершине С1, далее при вершинах С2 и В2 и , наконец, обе – при вершине А3. Следовательно, треугольник АВС и треугольник  имеют равные углы при вершинах А и А3. Аналогично, они имеют равные углы  В и В3. таким образом, теорема доказана.

Это свойство педальных треугольников было обобщено доктором А. Оппенгеймом, проректором Малайского университета в Сингапуре. Он установил, что п-й педальный п-угольник любого п-угольника подобен первоначальному п-угольнику.

Задачи о педальном треугольнике,

месторасположении точки Брокара

Задача 1. Вычислить стороны педального треугольника, если расстояния от педальной точки до вершин треугольника х=4см, у=5см, z=6см, R=12 см, а стороны самого треугольника равны 8 см, 12 см, 15 см.

Решение: 

Задача 2. Расстояния от точки треугольника, взятой внутри равностороннего треугольника АВС, до сторон АВ, ВС, АС равны соответственно 1,7 см, 2,8 см, 1,5 см. Найти площадь этого треугольника.

Дано: АВС – равносторонний, la=1,5 см, lb=2,8 см,  lc=1,7 см.

Найти: 

Решение: т.к. треугольник равносторонний, то la+lb+lc=h, т.е. h=1,5+2,8+1,7=6 (см). Пусть ВD=х, АВ=36+х2=4х2 , 36=3х2 , х2=12, .  (см2)

Ответ. 12.

Задача 3. Перпендикуляры, опущенные из точки О, взятой внутри треугольника АВС, определяют на сторонах треугольника точки L, M, N так, что , причем . Известно, что АВ=9, АС=12. Найдите сторону ВС.

Дано: треугольник АВС; OL, OM и ON  - перпендикуляры. , АВ=9, АС=12

Найти: ВС

Решение: т.к.  , а АВ=9, то AL=3, LB=9, аналогично, AN=3, NC=12. По теореме о сумме отрезков AL2+BM2+CN2=BL2+MC2+AN2 , 9+64+144=81+МС2+9, МС2=127, МС=, ВС=8+

Задача 4. Найти площадь педального треугольника точки Брокара, если стороны треугольника равны 4, 7 и 5 см.

Решение.

Задача 5. Определите угол Брокара, если треугольник имеет следующие стороны 3, 2 и 5.

Решение. 

Задача 6. В треугольнике АВС  и точка Брокара Р лежит на высоте CD. Найдите отношение .

Решение. В прямоугольном треугольнике DCB , поэтому, воспользовавшись формулой  и подставив в нее это равенство, получаем: . Выполним преобразования:

где 2sinAsinC=cos(C-A)-cos(C+A). Подставив в формулу это значение, получаем:

Подставив значения косинуса угла В, получим:

Учитывая, что , находим:

В первом случае:

Во втором случае:

Задача 7. ^[2] Основание равнобедренного треугольника равно 36. Вписанная окружность касается его боковых сторон в точках А и Р, АР=12. Найдите периметр этого треугольника.

Решение.

I способ

Пусть BCF – равнобедренный треугольник с основанием BF. Проведем высоту CH. Тогда BH=HF и BF=2BH=36. Следовательно, FH=BH=18. Тогда по свойству касательных, проведенных к окружности из одной точки, AB=BH=HF=FP=18. Поскольку СН – ось симметрии треугольника ВСF, то центр вписанной окружности лежит на СН, а AB=FP. Следовательно, точки А и Р симметричны относительно прямой СН и поэтому АР||BF. Значит, треугольники АСР и BCF подобны. Отсюда следует, что треугольник АСР равнобедренный и АС=АР. Пусть АС=х. Из подобия треугольников ACP и BCF следует . Отсюда получаем , значит, х=9. Поэтому, ВС=СР=х+18=27. Следовательно, искомый периметр треугольника BCF равен BF+2BC=36+54=90.

II способ

Так как дана вписанная окружность, то J – есть педальная точка, тогда треугольник АРН – педальный.

, BC=CF, так как треугольник BCF- равнобедренный, ВС=х , АР=12,

По изученным свойствам педального треугольника

,

ВС=27, CF=27, BF=36.

PBCF=27+27+36=90.

Таким образом, знание свойств педального треугольника, месторасположения точки Брокара значительно упрощают решение сложных математических задач.

Заключение

В данной работе была дана общая характеристика треугольника как геометрической фигуры, был детально рассмотрен педальный треугольник, его свойства, точка Брокара.

В рассмотренных задачах показано практическое применение свойств педального треугольника для их решения. Следует отметить, что это позволяет решать сложные математические задачи просто, красиво, понятно. На примере задачи из ЕГЭ продемонстрировано значительное упрощение хода ее решения за счет знания понятия педального треугольника, его свойств.

Таким образом, выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение в данной работе, а все поставленные цели и задачи были успешно решены.

Терминологический словарь

Педальный треугольник - треугольник, вершинами которого является основания перпендикуляров, опущенных из точки, находящейся внутри треугольника. А сама эта точка называется педальной точкой.

Если педальную точку взять на описанной окружности, то основания перпендикуляров, опущенных от данной точки к сторонам треугольника лежат на одной прямой, которая называется прямой Симсона.

Точкой Брокара называется такая педальная точка, которая при соединении с вершинами треугольника образует равные чередующиеся углы. А  такие углы называются углами Брокара.

Список использованных источников

1. Избранные вопросы математики. 7-8 кл.- М.: Просвещение, 1978.
2. Фетисов А.И. Геометрия в задачах.- М.: Просвещение, 1977.
3. Шарыгин И.Ф. Задачи по геометрии. Планиметрия.- М.: Наука, 1986.
4. Журнал «Математика в школе», №5, 1999 г.
5. Учебно-тренировочные материалы для подготовки ЕГЭ 2019-2020