Перейти к содержанию

Лемма о трезубце

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
(перенаправлено с «Теорема о трезубце»)

Лемма о трезубце, также называемая леммой о трилистнике и леммой Мансиона, — теорема в геометрии треугольника, связанная со свойствами вписанной, вневписанной и описанной окружностей треугольника.

Лемма о трезубце используется как вспомогательное утверждение при доказательстве многих теорем, в частности, формулы Эйлера или доказательстве существования окружности Эйлера.

Название «лемма Мансиона» было дано в честь бельгийского математика Поля Мансьона. Название же «лемма о трезубце» было дано благодаря сходству с одноимённым оружием ключевой для леммы конструкции (красная на рисунках ниже).

Формулировка

Лемма о трезубце.
Лемма о трилистнике.
Лемма Мансиона.

Пусть у треугольника ABC точка I — центр вписанной окружности, точка Ia — центр вневписанной окружности, противоположной вершине A, а точка L — точка пересечения отрезка IIa с дугой описанной окружности (см. справа). Тогда точка L равноудалена от I, Ia, B и C.

Частные варианты этого утверждения носят различные названия

  • Теорема Мансиона[1]: L равноудалена от I и Ia.
  • Лемма о трилистнике[2], или лемма о трезубце[3], или лемма Мансиона[4]: L равноудалена от I, B и C.
  • Лемма о трезубце[5]: L равноудалена от I, Ia, B и C.

Другой вариант задания точки L — как центра дуги BC описанной окружности, не содержащей точки A[4].

Доказательство

Под A,B будем понимать углы BAC,ABC соответственно. Если луч AI пересекает описанную окружность в точке L, то L является средней точкой дуги BC, отрезок AL является биссектрисой угла A. Проведя отрезок BI, заметим, что

BIL=A/2+B/2,

потому что BIL внешний к треугольнику AIB, а также

LBI=LBC+CBI=A/2+B/2, потому что LBC и LAC=A/2 равны, так как опираются на одну дугу LC.

Значит, треугольник BLI равнобедренный, т.е, BL=LI. Равенство CL=BL следует из того, что на обе эти хорды опирается одинаковый угол A/2. Таким образом, BL=LI=LC.

Мы показали, что BL=LI=LC. Теперь докажем что «ручка» трезубца LIa равна этой же величине.

Продлим сторону AB за точку B и возьмём где-нибудь на этом продолжении точку E. Под A будем понимать BAC, под B будем иметь в виду угол EBC=180ABC.

Тогда нам нужно понять, что треугольник BLIa равнобедренный, то есть, что LBIa=LIaB.

С одной стороны,

LBIa=B/2A/2

и

EBIa=A/2+BIaA так как EBIa внешний в треугольнике :BIaA, т.е, B/2A/2=BIaA

Вариации и обобщения

Внешняя лемма о трезубце

Связь с окружностью Эйлера

Через лемму о трезубце можно доказать существование окружности Эйлера.

Рассмотрим остроугольный треугольник ABC. Заметим, что четырёхугольники AHcHHb, BHcHHa, HbHHaC вписаны (рис. 1). Поэтому равны углы HHbHc=HAHc=HCHa=HHbHa (рис 2).

рисунок 1
рисунок 2

Из этого следует, что HbH — биссектриса в треугольнике HcHbHa. По совершенно аналогичным причинам HaH и HcH тоже биссектрисы в этом треугольнике (рис 3). Также можно заметить, что AB, BC, CA — внешние биссектрисы к треугольнику HcHbHa (потому что каждая из них перпендикулярна своей внутренней биссектрисе). Поэтому можно применить лемму о трезубце трижды, для каждой из сторон (рис 4).

рисунок 3
рисунок 4

Из этого получим, что середины отрезков HA,HB,HC лежат на окружности, описанной около ортотреугольника. Теперь трижды применим внешнюю лемму о трезубце (рис 5).

рисунок 5

Получим, что середины сторон AB,BC,CA лежат на окружности, описанной около ортотреугольника.

Замечание

Для того, чтобы доказать существование окружности Эйлера для тупоугольного треугольника ABC c тупым углом A, достаточно рассмотреть остроугольный треугольник BCH с ортоцентром A, и применить к нему те же рассуждения.

См. также

Примечания

  1. Задача 52395 Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine // «Система задач по геометрии Р. К. Гордина»
  2. Р. К. Гордин. Теоремы и задачи школьной геометрии. Базовый и профильный уровни. — 3-е изд. — МЦНМО, 2018. — С. 43. — ISBN 978-5-4439-2681-0.
  3. Акопян А. В. Геометрия в картинках.
  4. Перейти обратно: 4,0 4,1 Емельянов Л. А. Точка Шиффлера: памяти И. Ф. Шарыгина. — Математика в школе, 2006. — № 6. — С. 58—60. — ISSN 0130-9358.
  5. Р. Н. Карасёв. Задачи для школьного математического кружка / Р. Н. Карасёв, В. Л. Дольников, И. И. Богданов, А. В. Акопян. — С. 4.