Задачи по планиметрии на ДВИ МГУ чаще всего требуют не хитрых дополнительных построений, а уверенного владения алгебраическим методом. Суть метода: ты переводишь геометрическое условие на язык алгебры, составляешь систему уравнений относительно элементов треугольника (длин сторон, углов, площади) и решаешь её.
Чтобы этот подход работал, нужно держать в голове арсенал метрических теорем. Лист с формулами на экзамене не выдают.
Главные метрические теоремы и формулы
Для произвольного треугольника ABC со сторонами a,b,c (лежащими против соответствующих углов) и полупериметром p=2a+b+c базовыми являются следующие соотношения.
Из цепочки формул площади можно легко выражать радиусы. Например, для поиска R есть две удобные возможности: из формулы S=4Rabc (тогда R=4Sabc) или из расширенной теоремы синусов 2R=sinAa. Аналогично радиус вписанной окружности всегда даёт связка r=pS (см. справочник, §8).
Медианы и биссектрисы также выражаются через стороны аналитически. На ДВИ эти формулы часто позволяют свести задачу к простому уравнению.
Однако на ДВИ гораздо чаще нужна не длина биссектрисы, а её главное свойство деления стороны. Это базовый инструмент для задач на отношения отрезков.
Для задач на отношения отрезков и конкурентность чевиан алгебраический аппарат дополняют две классические теоремы.
Замечательные точки и линии
Готовые факты о замечательных точках треугольника часто сокращают выкладки на ДВИ.
Признаки подобия и равенства
Алгебраический метод опирается на подобие как на источник пропорций. Держи признаки в активной памяти — на ДВИ их применение нужно называть явно, иначе рубрика снимает балл за необоснованный переход.
Алгоритм решения методом уравнений
Примеры разбора задач
Начнём с классической связки «площадь + теорема косинусов», которая показывает суть алгебраического подхода.
Пример 1. Связка площади и теоремы косинусов
Условие. В треугольнике ABC известна площадь S=103, угол ∠C=60∘, а сумма квадратов сторон BC2+AC2=89. Найдите длину стороны AB.
Вводим обозначения
Пусть BC=a, AC=b, AB=c. Нам дано:
a2+b2=89
∠C=60∘
S=103
Находим произведение сторон из площади
Запишем формулу площади через две стороны и синус угла между ними:
S=21absinC⟹103=21absin60∘=21ab⋅23=4ab3
Разделим обе части на 3 и умножим на 4. Получаем произведение сторон:
ab=40
Применяем теорему косинусов
Теперь применим теорему косинусов для стороны c:
c2=a2+b2−2abcosC
Подставим известные значения (a2+b2=89, ab=40, cos60∘=21):
c2=89−2⋅40⋅21=89−40=49
Так как длина стороны положительна, c=7.
Следующий пример иллюстрирует, как знание специфических формул для прямоугольного треугольника избавляет от сложных геометрических построений.
Пример 2. Прямоугольный треугольник и окружность
Условие. В прямоугольном треугольнике гипотенуза равна 13, а радиус вписанной окружности равен 2. Найдите площадь этого треугольника.
Вводим обозначения
Пусть катеты равны a и b, гипотенуза c=13, вписанный радиус r=2.
Требуется найти площадь S=21ab. То есть достаточно найти произведение катетов.
Находим сумму катетов через радиус
Воспользуемся алгебраической формулой радиуса вписанной окружности для прямоугольного треугольника:
r=2a+b−c⟹2=2a+b−13
Отсюда находим сумму катетов:
a+b=4+13=17
Составляем симметричную систему
По теореме Пифагора сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы:
a2+b2=c2=132=169
Теперь у нас есть симметричная система: сумма a+b=17 и сумма квадратов a2+b2=169. Возведём первое уравнение в квадрат:
(a+b)2=172⟹a2+2ab+b2=289
Подставим a2+b2=169:
169+2ab=289⟹2ab=120⟹ab=60
Вычисляем площадь
Площадь прямоугольного треугольника:
S=21ab=260=30
Альтернативный способ: Площадь можно найти по формуле S=p⋅r, где полупериметр p=2a+b+c=217+13=15. Тогда S=15⋅2=30.
Третий пример — задача уровня ДВИ, объединяющая подобие и метрические формулы.
Пример 3. Комбинация подобия и метрики
Условие. В треугольнике ABC проведена медиана AE. Известно, что ∠BAE=∠BCA, длина стороны AB=4, а cos∠B=41. Найдите длину стороны AC.
Вводим обозначения
Пусть BC=a, AC=b, AB=c=4. Так как AE — медиана, BE=EC=2a.
Ищем подобные треугольники
Посмотрим на треугольники △ABE и △CBA.
У них общий угол ∠B. По условию ∠BAE=∠BCA.
Следовательно, треугольники подобны по двум углам (первый признак подобия): △ABE∼△CBA.
Записываем отношение сторон
Из подобия вытекает пропорция сходственных сторон:
CBAB=ABBE=CAAE
Подставим известные данные AB=4, CB=a, BE=2a:
a4=4a/2⟹a4=8a⟹a2=32⟹a=42
Значит, BC=42, а BE=22.
Применяем теорему косинусов
Рассмотрим △ABE. Мы знаем две его стороны (AB=4, BE=22) и косинус угла между ними (cosB=41). Найдём сторону AE по теореме косинусов:
AE2=AB2+BE2−2⋅AB⋅BE⋅cosB
AE2=42+(22)2−2⋅4⋅22⋅41
AE2=16+8−42=24−42
Вычисляем AC
Из пропорции подобия (шаг «Записываем отношение сторон») возьмём крайние части:
CBAB=ACAE⟹424=ACAE⟹21=ACAE
Отсюда AC=AE2. Возведём в квадрат:
AC2=2AE2=2(24−42)=48−82
Следовательно, AC=48−82.
Четвёртый пример вводит в работу теорему о биссектрисе и теорему Стюарта — связку, которая закрывает целый класс ДВИ-задач на чевианы.
Пример 4. Биссектриса: отношение и длина
Условие. В треугольнике ABC стороны AB=6 и AC=4, BC=5. Биссектриса угла A пересекает сторону BC в точке D. Найдите длины отрезков BD, DC и длину биссектрисы AD.
Делим сторону теоремой о биссектрисе
Биссектриса из A делит сторону BC в отношении прилежащих сторон:
DCBD=ACAB=46=23.
Поскольку BD+DC=BC=5, обозначим BD=3t, DC=2t. Тогда 5t=5, t=1, и
BD=3,DC=2.
Находим длину биссектрисы
Применим компактную формулу AD2=AB⋅AC−BD⋅DC (частный случай теоремы Стюарта для биссектрисы):
AD2=6⋅4−3⋅2=24−6=18⟹AD=18=32.
Контролируем формулой биссектрисы
Та же длина по основной формуле (где a=BC=5, b=AC=4, c=AB=6):
la2=bc(1−(b+c)2a2)=24(1−10025)=24⋅43=18.
Ответы совпадают — обоснование замкнуто.
Пятый пример — задача на отношения отрезков теоремой Менелая, типовой алгебраический инструмент ДВИ.
Пример 5. Теорема Менелая на отношения отрезков
Условие. В треугольнике ABC точка P лежит на стороне AB, причём AP:PB=1:2, а точка Q — на стороне BC, причём BQ:QC=3:1. Прямая PQ пересекает прямую AC в точке R (вне отрезка AC). В каком отношении точка R делит сторону AC, то есть найдите CR:RA.
Записываем теорему Менелая
Применим теорему Менелая к треугольнику ABC и секущей, проходящей через точки P∈AB, Q∈BC, R∈AC (на продолжении). Обходя контур A→B→C→A, запишем произведение отношений равным единице:
PBAP⋅QCBQ⋅RACR=1.
Подставляем известные отношения
Подставим известные отношения PBAP=21 и QCBQ=13:
21⋅13⋅RACR=1⟹23⋅RACR=1⟹RACR=32.
Сверяем с чертежом
То, что RACR=32<1, согласуется с чертежом: точка R лежит на продолжении стороны AC за вершину C, и расстояние CR меньше RA.
Шестой пример демонстрирует то, о чём предупреждает раздел ошибок: реальный отбор корней и проверку существования.
Пример 6. Отбор корней и неравенство треугольника
Условие. В прямоугольном треугольнике один катет на 7 больше другого, а гипотенуза на 8 больше меньшего катета. Найдите стороны треугольника.
Составляем уравнение
Обозначим меньший катет x (где x>0). Тогда больший катет равен x+7, гипотенуза равна x+8.
По теореме Пифагора (гипотенуза — наибольшая сторона, против прямого угла):
x2+(x+7)2=(x+8)2.
Решаем квадратное уравнение
Раскроем скобки:
x2+x2+14x+49=x2+16x+64.
Приведём к стандартному виду:
x2−2x−15=0.
Корни квадратного уравнения:
x=22±4+60=22±8⟹x1=5,x2=−3.
Отбираем корни
Длина стороны строго положительна, поэтому корень x2=−3посторонний — отбрасываем его. Остаётся x=5.
Проверяем существование
При x=5 стороны равны 5, 12, 13. Все положительны; неравенство треугольника выполнено (5+12>13). Проверим, что это действительно прямоугольный треугольник: 52+122=25+144=169=132 — теорема Пифагора выполняется. Конфигурация существует.
Седьмой пример показывает противоположную ловушку — когда отбрасывать корень нельзя, потому что задача допускает две конфигурации.
Пример 7. Неоднозначность конфигурации (два треугольника)
Условие. В треугольнике ABC сторона AB=7, сторона AC=5, а косинус угла B равен 1411. Найдите все возможные значения длины стороны BC.
Составляем уравнение по теореме косинусов
Обозначим BC=x. Здесь дан угол B, прилежащий к искомой стороне BC и к известной стороне AB, а напротив угла B лежит известная сторона AC=5. Это конфигурация «сторона–сторона–угол» (SSA), которая может давать два треугольника. Запишем теорему косинусов для стороны AC (она лежит против угла B):
AC2=AB2+BC2−2⋅AB⋅BC⋅cosB.
Решаем квадратное уравнение
Подставим AC=5, AB=7, cosB=1411:
25=49+x2−2⋅7⋅x⋅1411=49+x2−11x.
Приведём к стандартному виду:
x2−11x+24=0⟹x=211±121−96=211±5.
Получаем два корня: x1=3 и x2=8.
Проверяем обе конфигурации
Оба корня положительны. Проверим неравенство треугольника для каждого:
x=8: стороны 7, 5, 8. Все неравенства выполнены — треугольник существует.
Оба значения геометрически допустимы (на чертеже им отвечают точки C1 и C2). Отбрасывать один из корней нельзя — это и есть классическая ловушка SSA: потеря второй конфигурации стоит частичного балла.
Восьмой пример — задача на доказательство. ДВИ любит формулировки «докажите, что…», и здесь важно не довести до числа, а строго замкнуть каждый логический переход.
Пример 8. Задача на доказательство
Условие. Докажите, что если медиана треугольника, проведённая к некоторой стороне, равна половине этой стороны, то треугольник прямоугольный.
Формализуем условие
Дано. Треугольник ABC; AM — медиана к стороне BC, и AM=21BC.
Требуется доказать.∠A=90∘ (угол A, противолежащий стороне BC, прямой).
Применяем формулу медианы
Обозначим стороны: BC=a, CA=b, AB=c. По условию медиана к стороне a удовлетворяет
ma=2a⟹ma2=4a2.
Подставим формулу квадрата медианы (её на ДВИ выводим в одну строку, ведь лист формул не выдаётся):
Получено равенство b2+c2=a2, где a=BC — сторона, противолежащая вершине A. По теореме, обратной теореме Пифагора, треугольник со сторонами, удовлетворяющими b2+c2=a2, прямоугольный, причём прямой угол лежит против наибольшей стороны a, то есть при вершине A.
Следовательно, ∠A=90∘, что и требовалось доказать. ■
Геометрический смысл
Замечание. Равенство AM=21BC означает, что A лежит на окружности с диаметром BC и центром в середине M. Угол, опирающийся на диаметр, прямой — это второй, чисто геометрический способ доказательства того же факта.
Частые ошибки
Что запомнить
Симметричные системы: В задачах на площади и периметры часто возникают системы вида {x+y=A,xy=B}. Решай их подстановкой или через теорему Виета.
Если дана медиана — сразу вспоминай формулу удвоенной суммы квадратов 4ma2=2b2+2c2−a2 или достраивай треугольник до параллелограмма.
Если в задаче биссектриса — её главное свойство DCBD=ACAB, а длину быстро даёт AD2=bc−BD⋅DC (Стюарт).
Отношения отрезков и конкурентность чевиан — это Менелай (коллинеарность) и Чева (одна точка).
Центроид делит медиану 2:1 от вершины; для радиусов есть готовая связка OI2=R2−2Rr (откуда R⩾2r).
Если треугольник прямоугольный, формулы R=2c и r=2a+b−c экономят половину времени на вычисления.
Оформление под рубрику ДВИ
ДВИ оценивается по outcomes-рубрике: за каждый завершённый и обоснованный логический блок ставится плюс, за пропуск или необоснованный переход — «±» (частичный балл) или минус. В геометрии важно не только довести до числа, но и строго обосновать каждый шаг и закрыть все конфигурации.
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
Биссектриса из вершины A треугольника ABC пересекает сторону BC в точке D. Чему равно отношение DCBD?
В прямоугольном треугольнике с катетами a, b и гипотенузой c радиус вписанной окружности равен
Дана конфигурация SSA: две стороны и угол не между ними. Квадратное уравнение на третью сторону дало два положительных корня, и оба удовлетворяют неравенству треугольника. Что писать в ответ?
Формула Эйлера связывает расстояние между центрами вписанной и описанной окружностей: OI2=R2−2Rr. Какое неравенство из неё следует?