Тема 34. ОСНОВНЫЕ ПРИЁМЫ РЕШЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЗАДАЧ.
материал для подготовки к егэ (гиа) по геометрии (9 класс) по теме

Тема 34. Основные приёмы решения геометрических задач.

В геометрических задачах, в отличие от задач алгебраических, далеко не всегда удается указать рецепт решения. Здесь, помимо формального знания многочленных соотношений между элементами фигур, необходимо иметь интуицию и опыт. Важно уметь видеть комбинацию тех или иных геометрических элементов (например, треугольники, составляющие трапецию), невидимые пока на рисунке линии (возможные дополнительные построения, облегчающие анализ задачи) и т.д.

Умение решать геометрические задачи приходит вместе с практикой. В этом уроке рассматриваются методы решения задач, не использующие ни векторы, ни координаты. Мы ограничимся лишь темами, на наш взгляд, наиболее часто встречающимися на вступительных экзаменах: решение треугольников и задачи с многоугольниками, площади, подобие, задачи с окружностями.

Приемы решения вычислительных задач по планиметрии.

1. Решение треугольников.

Известные признаки равенства треугольников "по двум сторонам и углу между ними", "по стороне и двум прилежащим к ней углам", "по трем сторонам" указывают величины, знание которых позволяет однозначно определить все элементы треугольника. Так, по известным сторонам  и  с помощью теоремы косинусов можно вычислить величины всех углов треугольника  . По известным сторонам  и заключенному между ними углу  с помощью теоремы косинусов легко найти величину стороны , а затем, как это описывалось выше, определить величины остальных углов.

Если известна сторона  треугольника и прилежащие к ней углы  и, то сначала, пользуясь тем, что сумма углов треугольника равна , находим величину угла , а затем с помощью теоремы синусов определяем длины сторон  и . Конечно, возможны и другие способы определения сторон и углов. Заметим, что знание синуса угла не всегда позволяет однозначно определить сам угол треугольника. Так равенству   могу удовлетворять как  так и  Для определения величины угла в такой ситуации обычно применяются    какие-либо дополнительные соображения, например, угол  - тупой или острый.

2. Последовательное вычисление величин..

Если в задаче требуется найти длину какого-либо отрезка или величину какого-либо угла, имеет смысл сначала, не проводя вычислений, определить, какие, вообще, отрезки и углы могут быть найдены, исходя из данных задачи, с помощью приемов, изложенных в п. 1, или иных соображений. При этом можно помечать каким-либо образом вычисляемые отрезки и углы. Множество вычисляемых объектов будет при этом расширяться. И если случится так, что в их число попадет нужный отрезок или угол, то легко можно будет составить цепочку последовательных вычислений необходимых отрезков и углов, которая приведет к нахождению нужной величины.

3. Поиск  решения "от искомого".

Если прямой поиск, изложенный в предыдущем пункте, не помогает найти требуемую величину, можно попытаться расширить круг поисков. Нужно понять, через какие величины, известные из условия и неизвестные, можно выразить искомую величину. Затем  надо понять, можно ли найти эти неизвестные величины. Если они могут быть найдены, то составляем план решения.

4. Введение неизвестных.

Иногда, нарисовав чертеж и отметив на нем все данные величины, а также определив все величины, которые могут быть вычислены с помощью указанных выше соображений, все-таки не удается найти требуемые в задаче отрезки или углы. В этой ситуации может помочь следующий прием. Обозначим какой-нибудь буквой, скажем буквой , неизвестный отрезок или угол, а затем отметим все углы и отрезки, которые могут быть выражены через  с помощью приведенных в п. 2 и 3 соображений. Тогда может случится так, что один и тот же отрезок или угол имеет два различных выражения. Приравнивая их, получим уравнение, корнем которого будет искомая величина.

5. Роль чертежа в решении геометрических задач.

О том, что хороший чертеж облегчает решение задачи, известно всем. Он может и подсказать какое-либо геометрическое соотношение между отрезками или углами. Особенно, если нарисовать несколько чертежей, изменяя размеры присутствующих на нем фигур. Но иногда чертеж может стать причиной неполного решения задачи, так как соотношения, выполняющиеся на нем и кажущиеся совершенно очевидными, в действительности таковыми не являются и требуют специального обоснования.

Всегда пытайтесь изобразить все возможные конфигурации, отвечающие на первый взгляд условиям задачи, а затем с помощью рассуждений отбросьте лишние.

Выделим некоторые, к сожалению, трудно формализуемые принципы, которыми следует руководствоваться при построении чертежа. Прежде всего чертеж должен быть "большим и красивым". Это вовсе не означает, что чертеж должен выполняться по всем правилам черчения, с использованием соответствующих инструментов. При небольшом навыке чертеж может быть хорошо сделан и от руки.

Важнейшим требованием к чертежу является требование лаконичности. Следует изображать лишь «функционирующие» части геометрических фигур. Так, например, если в задаче надо найти радиус окружности, вписанной в треугольник, то в большинстве случаев саму эту окружность не следует изображать. Если же в условии задачи фигурируют "тоски этой окружности, т.е. окружность "функционирует" в условии, то ее изображение может оказаться полезным для решения задачи.

Необходимо избегать чрезмерного усложнения чертежа. Этого можно добиться, в частности, за счет выносных картинок, изображающих фрагменты общей конфигурации. С другой стороны, стоит непосредственно на чертеже указывать числовые или буквенные значения линейных или угловых величин, заданных в условии или полученных (введенных) в процессе решения.

Правильный чертеж помогает увидеть особенности геометрической фигуры, например, может "подсказать", что какие-то точки расположены на одной прямой или одной окружности или что прямые пересекаются в одной точке.

Если в задаче идет речь о фигуре общего вида, например о произвольном треугольнике или четырехугольнике, то необходимо, чтобы фигура, изображенная на чертеже, не имела характерных особенностей, присущих "хорошим" фигурам, в частности, треугольник не должен быть прямоугольным или равнобедренным, а тем более правильным, четырехугольник - быть похожим на параллелограмм и т.д.

6. Дополнительные построения.

Нарисованный первоначально чертеж в процессе решения задачи может дополняться новыми линиями. Такие дополнительные построения, вводящие новые углы и новые отрезки, иногда приводят к появлению геометрических фигур, облегчающих решение задачи. А иногда и указывают выход из, казалось бы, неразрешимой ситуации.

Так, оказывается, в трапеции бывает полезно провести через одну вершину прямую, параллельную противоположной боковой стороне. Если же в условии задачи говорится о диагоналях трапеции, то стандартным будет дополнительное построение, состоящее в проведении через одну из ее вершин прямой, параллельной диагонали.

Если в условии есть медиана треугольника, то стоит попытаться продолжить эту медиану на такое же расстояние. При этом получим параллелограмм, стороны и одна диагональ которого равны сторонам треугольника, а вторая диагональ равна удвоенной медиане. Таким образом, если бы нам требовалось найти площадь треугольника по двум сторонам и медиане, заключенной между ними, то с помощью только что указанного приема легко убедиться, что треугольник этот равновелик треугольнику, две стороны которого равны соответствующим сторонам исходного, а третья равна удвоенной медиане.

Если в условии задачи фигурирует середина одной или нескольких сторон четырехугольника, то стоит добавить середины каких-то других сторон или диагоналей и рассмотреть средние линии соответствующих треугольников.

Таким образом, мы выделим три разновидности дополнительных построений:

1. продолжение отрезка (отрезков) на определенное расстояние или до пересечения с заданной прямой;
2. проведение прямой через две заданные точки;
3. проведение через заданную точку прямой, параллельной данной прямой, или перпендикулярной данной прямой.

Умение находить самостоятельно удачное дополнительное построение приходит с опытом решения задач.

7. Площади.

Задачи на вычисление площадей различных фигур встречаются на вступительных экзаменах достаточно часто. Площади многоугольников обычно вычисляют, разбивая их на треугольники, прямоугольники и другие фигуры, для площадей которых имеются известные формулы. Иногда использование площадей помогает при решении задач, на первый взгляд относящихся к другим вопросам.

8. Подобие.

Одним из важных средств нахождения в процессе решения задачи соотношений между отрезками или углами является свойство подобия фигур. Ведь в подобных фигурах соответствующие углы равны, а стороны пропорциональны. Имеются признаки подобия треугольников: 1) по двум углам; 2) по двум соответственно пропорциональным сторонам и заключенному между ними углу; 3) по трем пропорциональным сторонам.

Заметим,       что       в       подобных       треугольниках       отношение соответствующих    высот,    медиан    и    биссектрис    равно    отношению соответствующих сторон треугольников, т.е. коэффициенту подобия.

9. Метод вспомогательной окружности.

Обычно этот метод характеризуется в решении следующими оборотами: "Заметим, что точки  лежат на одной окружности ...", или "Проведем окружность (-ти) через точки  ", или другими, с ними

сходными.

Проведение вспомогательных окружностей часто облегчает вычисление углов в задачах о "некруглых" фигурах.

При решении стереометрических задач важным является выбор оптимального положения изображаемого тела (в частности, выбор ориентации - верх и низ, право и лево), выбор ракурса и проекции, умение минимизировать количество изображенных линий (напомним, что видимые и невидимые линии должны изображаться различным образом), умение строить сечение и проекции на плоскость, умение выделить на построенном чертеже и соответственно изобразить плоскую конфигурацию, дающую ключ к решению задачи, умение перевести условие задачи на графический язык.

Целесообразно в некоторых случаях вообще не строить пространственное изображение, а обойтись одним или несколькими плоскими чертежами, представляющие собой какие-либо сечения или проекции заданного тела, заданной конфигурации.

При решении стереометрических задач ведущие принципы решения задач на плоскости, перечисленные выше, остаются прежними. Основным средством решения является поиск решения "от искомого". К этому основному пути добавляются различные геометрические методы и приемы.