Добрая половина задач по планиметрии на ДВИ МГУ сводится к фразе «найдите площадь» или «найдите отношение площадей». Прямолинейный счёт через формулы S=21ah или формулу Герона здесь работает редко. На ДВИ проверяют умение сравнивать площади фигур, не вычисляя их истинных размеров.
Главный инструмент для этого — подобие треугольников и переход от одной фигуры к другой через общие элементы (основания, высоты, углы).
Подобие треугольников: три признака
Два треугольника называются подобными, если их углы попарно равны, а сходственные стороны пропорциональны. Коэффициент этой пропорции — коэффициент подобияk. На экзамене подобие почти никогда не дано в условии — его нужно доказать, сославшись на один из трёх признаков. Доказательство подобия — это полноценный шаг решения, и без него рубрика ДВИ не засчитает переход.
На практике в 90% задач работает первый признак (по двум углам): равные углы возникают сами собой из параллельности прямых, общего угла или вписанных углов. Поэтому, увидев в конфигурации параллельные прямые или общий угол, первым делом ищи подобие именно по двум углам.
Базовые ситуации подобия и их обоснование
Чтобы использовать подобие, его нужно сначала увидеть. Чаще всего на ДВИ встречаются две классические конструкции, и обе обосновываются через первый признак.
Важнейший факт, генерирующий пропорции в треугольнике (помимо подобия), который на ДВИ нужно знать наизусть:
Подобие в прямоугольном треугольнике
Отдельно стоит запомнить классическую ДВИ-конфигурацию: высота, опущенная из прямого угла на гипотенузу. Она разбивает прямоугольный треугольник на два, каждый из которых подобен исходному (и подобен между собой) — по двум углам (общий острый угол + прямой).
Четыре факта о сравнении площадей
Если площади нельзя вычислить, их нужно выразить друг через друга. Весь метод строится на четырёх базовых переходах. Прежде чем перейти к ним, выпишем формулу, на которой держится Факт 2 — площадь через синус угла (на ДВИ листа формул нет, поэтому её обоснование тоже стоит держать в голове).
Факт 4 (Свойство трапеции): Диагонали разбивают любую трапецию на четыре треугольника. Треугольники, прилежащие к боковым сторонам, равновелики (их площади равны). Треугольники, прилежащие к основаниям, подобны, причём коэффициент их подобия равен отношению оснований.
Мощные инструменты: Теоремы Менелая и Чевы
Для применения «Факта 1» постоянно не хватает отношений отрезков на сторонах. На ДВИ эти отношения почти всегда добываются с помощью теоремы Менелая.
Альтернатива Менелаю: метод масс (mass points)
В Менелае легко ошибиться со схемой обхода или с тем, какой отрезок ставить в числитель. Для задач, где чевианы пересекаются в одной точке (как в Примерах 2 и 3), есть более «защищённый от ошибок» способ — метод масс. Он позволяет находить отношения, в которых точка пересечения делит чевианы, простой арифметикой.
Этим способом результат Примера 2 (AO:ON) получается в два действия — см. альтернативное решение там.
Алгоритм решения задач на площади
Примеры
Пример 1. Свойство биссектрисы и площади
Условие. В треугольнике ABC со сторонами AB=4, AC=5, BC=6 проведена медиана BM и биссектриса AL, которые пересекаются в точке K. Найдите отношение площади треугольника AKM к площади треугольника ABC.
Намечаем маршрут площадей
Пусть SABC=S. Наш маршрут площадей: ABC→ABM→AKM.
Переходим от ABC к ABM (Факт 1)
Так как BM — медиана, точка M делит AC пополам. Следовательно, AM=25=2,5.
Треугольники ABM и ABC имеют общую вершину B и основания на одной прямой (Факт 1):
SABM=ACAMSABC=21S.
Применяем свойство биссектрисы в △ABM
Теперь рассмотрим △ABM. Отрезок AK является в нём биссектрисой угла A (так как лежит на AL). По свойству биссектрисы для △ABM:
KMBK=AMAB=2,54=58.
Находим долю KM от BM
Нам нужна площадь △AKM. Треугольники AKM и ABM имеют общую вершину A и основания KM и BM на одной прямой.
Найдём долю KM от всего отрезка BM. Раз BK:KM=8:5, то весь отрезок BM составляет 8+5=13 частей, а KM — 5 частей. Значит, BMKM=135.
Считаем искомую площадь
Применяем Факт 1:
SAKM=135SABM=135(21S)=265S.
Ответ:265.
Пример 2. Теорема Менелая и площади
Условие. На сторонах AB и BC треугольника ABC взяты точки M и N соответственно так, что AM:MB=1:2, а BN:NC=3:1. Отрезки AN и CM пересекаются в точке O. Найдите площадь треугольника AOC, если площадь треугольника ABC равна 60.
Намечаем маршрут площадей
Наш маршрут: ABC→ANC→AOC.
Переходим от ABC к ANC (Факт 1)
Треугольники ANC и ABC имеют общую вершину A. Так как BN:NC=3:1, то отрезок NC составляет 41 от всего BC.
SANC=41SABC=41⋅60=15.
Добываем отношение AO:ON теоремой Менелая
Для перехода от ANC к AOC нужно знать отношение ONAO. Найдём его с помощью теоремы Менелая.
Рассмотрим △ABN и прямую M−O−C, которая пересекает его стороны AB и AN, а также продолжение стороны BN за точку N.
Запишем теорему Менелая, стартуя из вершины A:
MBAM⋅CNBC⋅OANO=1.
Подставляем известные отношения. AM:MB=21. Так как BN:NC=3:1, то весь BC содержит 4 части, значит CNBC=14.
21⋅14⋅OANO=1⟹2⋅OANO=1⟹OANO=21.
Считаем искомую площадь
Мы выяснили, что NO:OA=1:2. Следовательно, отрезок AO составляет 32 от всего отрезка AN.
Применяем Факт 1 для треугольников AOC и ANC (общая вершина C):
SAOC=ANAOSANC=32⋅15=10.
Ответ: 10.
Балансируем стороны. На стороне AB точка M даёт AM:MB=1:2, значит массы обратны: mA:mB=2:1. На стороне BC точка N даёт BN:NC=3:1, значит mB:mC=1:3.
Согласуем: возьмём mB=1, тогда mA=2, mC=3. Точка N на стороне BC несёт массу mB+mC=1+3=4. На чевиане AN точка пересечения делит её обратно пропорционально массам концов:
ONAO=mAmN=24=2,
то есть AO:ON=2:1, или NO:OA=1:2 — тот же результат, что и по Менелаю, но без обхода контура.
Пример 3. Комбинация Чевы, Менелая и площадей (уровень ДВИ)
Условие. На сторонах BC, AC и AB треугольника ABC взяты точки A1, B1 и C1 соответственно. Отрезки AA1, BB1 и CC1 пересекаются в одной точке P. Известно, что AC1:C1B=1:2, а BA1:A1C=1:3. Найдите отношение площади треугольника APB1 к площади треугольника ABC.
Нам нужна площадь △APB1. Выразим её через площадь △APC (Факт 1, общая вершина P):
SAPB1=ACAB1SAPC=71SAPC.
Осталось найти SAPC.
Связываем SAPC и SAPB
Вспомним полезное следствие из Факта 1: отношение площадей треугольников APB и APC равно отношению отрезков BA1 к A1C.
Действительно, SACA1SABA1=A1CBA1 и SPCA1SPBA1=A1CBA1. Вычитая площади, получаем:
SAPCSAPB=A1CBA1=31⟹SAPC=3SAPB.
Находим SAPB через теорему Менелая
Найдём SAPB. Перейдём к нему от SABA1.
SABA1=41S (так как BA1=41BC).
Чтобы найти долю SAPB от SABA1, применим теорему Менелая к △ABA1 и прямой C−P−C1:
Значит, PA составляет 52 от отрезка AA1.
Тогда SAPB=52SABA1=52⋅41S=101S.
Собираем ответ по цепочке
Возвращаемся по цепочке назад:
SAPC=3SAPB=103S.
SAPB1=71SAPC=71⋅103S=703S.
Ответ:703.
Пример 4. Подобие и квадрат коэффициента (k2)
Условие. В треугольнике ABC на стороне AB взята точка A1, а на стороне BC — точка C1 так, что A1C1∥AC и BA1:A1A=2:3. Площадь треугольника ABC равна 75. Найдите площадь трапеции AA1C1C (части треугольника между прямой A1C1 и стороной AC).
Доказываем подобие и находим коэффициент
Так как A1C1∥AC, треугольник A1BC1 подобен треугольнику ABC (Ситуация 1: общий угол B, равные соответственные углы при параллельных). Коэффициент подобия равен отношению сходственных сторон, отсчитанных от вершины B:
k=BABA1=2+32=52.
Применяем Факт 3: квадрат коэффициента
По Факту 3 площади подобных треугольников относятся как квадрат коэффициента:
SABCSA1BC1=k2=(52)2=254.
Отсюда площадь малого треугольника:
SA1BC1=254⋅75=12.
Вычитаем и получаем площадь трапеции
Трапеция AA1C1C — это весь треугольник без отсечённого малого:
SAA1C1C=SABC−SA1BC1=75−12=63.
Ответ:63.
Пример 5. Трапеция: равновеликость и подобие у диагоналей (Факт 4)
Условие. В трапеции ABCD с основаниями BC=3 и AD=7 диагонали пересекаются в точке O. Площадь треугольника BOC (прилежащего к меньшему основанию) равна 9. Найдите площадь всей трапеции.
Доказываем подобие треугольников у оснований
Треугольники BOC и AOD подобны: углы при O равны (вертикальные), углы OBC и ODA равны как накрест лежащие при BC∥AD и секущей BD. Коэффициент подобия равен отношению оснований:
k=BCAD=37.
Находим площадь AOD (Факт 3)
По Факту 3 (квадрат коэффициента):
SAOD=k2⋅SBOC=(37)2⋅9=949⋅9=49.
Находим площади боковых треугольников (Факт 4)
По Факту 4 боковые треугольники ABO и CDO равновелики. Их общую площадь найдём как среднее геометрическое площадей BOC и AOD (это свойство трапеции; проще всего — через Факт 1). Треугольники BOC и DOC имеют общую вершину C и основания BO, OD на одной прямой BD, причём BO:OD=k=3:7 (то же подобие). Значит:
SDOC=BOODSBOC=37⋅9=21.
И симметрично SABO=21.
Складываем четыре площади
Складываем все четыре треугольника:
SABCD=SBOC+SAOD+SABO+SCDO=9+49+21+21=100.
Ответ:100.
Пример 6. Прямоугольный треугольник: высота к гипотенузе
Условие. В прямоугольном треугольнике ABC с прямым углом при вершине C высота CH, опущенная на гипотенузу AB, делит её на отрезки AH=4 и HB=9. Найдите площадь треугольника ABC.
Находим высоту как среднее геометрическое проекций
Здесь чертёж совпадает с конфигурацией «Высота прямоугольного треугольника к гипотенузе» выше: m=AH=4, n=HB=9.
По соотношению h2=m⋅n находим высоту:
CH2=AH⋅HB=4⋅9=36⟹CH=6.
Считаем площадь через гипотенузу и высоту
Вся гипотенуза равна AB=AH+HB=4+9=13. Площадь через гипотенузу и высоту к ней:
SABC=21AB⋅CH=21⋅13⋅6=39.
(Проверка через катеты: AC2=AH⋅AB=4⋅13=52, BC2=HB⋅AB=9⋅13=117, тогда S=21AC⋅BC=2152⋅117=2152⋅117=216084=21⋅78=39 — совпадает.)
Ответ:39.
Частые ошибки
Что запомнить
Если просят найти площадь фигуры, в 90% случаев её нужно не считать в лоб, а отрезать или достроить до треугольника, чья площадь выражается через заданную.
Подобие на ДВИ почти всегда доказывается по двум углам; равные углы дают параллельность, общий угол или вписанные углы.
Площади подобных фигур — как k2, периметры и радиусы — как k.
Теорема Менелая — ключ ко всем отношениям отрезков внутри треугольника, если проведены пересекающиеся чевианы или секущие; метод масс — её страховочная альтернатива для конкурентных чевиан.
Менелай и Чева пишутся одинаково, но это разные конфигурации: секущая прямая против трёх чевиан.
Всегда переводи отношения вида 3:2 в дроби от целого: 53 и 52. Это защитит от ошибок при вычислении площадей.
Оформление под рубрику ДВИ
На ДВИ оценивают не только ответ, но и обоснованность каждого перехода. По рубрике «±» баллы снимают именно за пропущенные обоснования, даже если итоговое число верное. Ниже — эталон полного оформления и список того, за что чаще всего снижают.
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
Стороны одного треугольника в 3 раза больше сходственных сторон подобного ему треугольника. Во сколько раз больше его площадь?
Диагонали трапеции разбивают её на четыре треугольника. Что верно про треугольники, прилежащие к боковым сторонам?
В прямоугольном треугольнике высота CH, опущенная на гипотенузу, отсекает проекции m и n. Чему равна высота?
Формулы теорем Менелая и Чевы совпадают по виду. Чем различаются конфигурации?