Materiały pozakółkowe
Użytkownicy online
Naszą witrynę przegląda teraz 2 gościPotęga punktu -- zima 2010 |
Zadania II |
Wpisany przez Joachim Jelisiejew |
czwartek, 16 grudnia 2010 20:29 |
Rozwiązania PDF. Źródło zadań w texu. % File: zad.tex % Created: Wed Dec 15 06:00 PM 2010 C % Last Change: Wed Dec 15 06:00 PM 2010 C \documentclass[10pt]{article} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsmath} \textwidth 16cm \textheight 24cm \oddsidemargin 0cm \topmargin 0pt \headheight 0pt \headsep 0pt \usepackage[polish]{babel} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage{polski} \usepackage{import} %\usepackage{figure} \usepackage[pdftex]{graphicx} %\usepackage{MnSymbol} % ---------------------------------------------------------------- \vfuzz4pt % Don't report over-full v-boxes if over-edge is small \hfuzz4pt % Don't report over-full h-boxes if over-edge is small % THEOREMS ------------------------------------------------------- \newtheorem{thm}{Twierdzenie}[section] \newtheorem{cor}[thm]{Wniosek} \newtheorem{lem}[thm]{Lemat} \newtheorem{defn}[thm]{Definicja} \newtheorem{tozs}[thm]{Tożsamość} \newtheorem{hyp}[thm]{Hipoteza} \newtheorem{useless}[thm]{} \newenvironment{proof}[1][Dowód. ]{\noindent\textsc{#1}} {\nolinebreak[4]\hfill$\blacksquare$\\\par} \newenvironment{sol}[1][Rozwiązanie. ]{ \noindent\textsc{#1}} {\hfill\par} \newenvironment{problem}{\noindent\textsc{Zadanie}\\} {\hfill\par} \def\deg{^{\circ}} \def\source#1{\\Źródło: #1} \def\abs#1{\left| #1 \right|} %\subimport{../}{style} \include{style} \begin{document} %\setlength{\topmargin}{-0.5in} \section{Potęga punktu} \subsection{Teoria} \begin{minipage}{10.5cm} \begin{thm}[o~siecznych, o~stycznej] Dany jest okrąg $o$ o~środku $O$ i~promieniu $R$ oraz~punkt $P$. Jeżeli prosta $l$ przechodzi przez $P$ i~przecina okrąg $o$ w~(niekoniecznie różnych) punktach $A$ i~$B$, to iloczyn $|PA| \cdot |PB|$ nie zależy od wyboru $l$, a~dokładniej \[ |PA| \cdot |PB| = \abs{|PO|^{2} - R^2}. \] \end{thm} \end{minipage}\begin{minipage}{5cm} \includegraphics[origin=c]{pow_in} \end{minipage} \begin{defn}[potęga punktu] Przy powyższych oznaczeniach liczbę (być może ujemną!) $|PO|^{2} - R^2$ nazywamy \textbf{potęgą punktu} $P$ względem $o$ i~oznaczamy $p(P, o)$. \end{defn} \begin{cor} \mbox{} \begin{enumerate} \item $p(P, o) < 0$ gdy $P$ leży we wnętrzu koła o~brzegu $o$, $p(P, o) = 0$ gdy $P$ leży na $o$ oraz $p(P, o) > 0$, gdy $P$ leży poza $o$. \item przy oznaczeniach twierdzenia (nadal dla dowolnej prostej) mamy \[\begin{array}{l l} p(P, o) = -|PA|\cdot |PB| & \hbox{gdy }P\hbox{ leży wewnątrz }o\\ p(P, o) = |PA|\cdot |PB| & \hbox{inaczej} \end{array}\] \item Jeżeli $P$ leży poza okręgiem $o$, to $p(P, o)$ jest kwadratem długości stycznej do $o$ przechodzącej przez~$P$. \end{enumerate} \end{cor} \begin{minipage}{10.5cm} \begin{thm} Ustalmy dwa niewspółśrodkowe okręgi $o_1, o_2$ o~środkach $O_1, O_2$. Zbiór punktów $P$ takich, że $p(P, o_1) = p(P, o_2)$ jest \textbf{prostą prostopadłą} do $O_1O_2$; nazywamy ją \textbf{osią potęgową okręgów} $o_1,o_2$. \end{thm} \begin{cor} Jeżeli okręgi przecinają się, to prosta przechodzi przez punkty przecięcia. \end{cor} \end{minipage}\begin{minipage}[<+tb+>]{5.5cm} \includegraphics[origin=c]{eq_pow} \end{minipage} \begin{thm}[** Brianchona] Jeżeli w~sześciokąt $ABCDEF$ da się wpisać okrąg to przekątne $AD, BE, CF$ mają punkt wspólny. \end{thm} \subsection{Zadania} \begin{enumerate} \item Uzasadnij, że zbiór punktów mających potęgę względem danego okręgu $o$ równą $p > 0$ jest okręgiem. \item \emph{Eliminacje do PTM -- przypomnienie.} Dane są okręgi $O_1, O_2$, przecinające się w punktach $A,B$. Punkt $P$ leży na prostej $AB$, proste $PX$, $PY$ są styczne do $O_1$, $O_2$ odpowiednio. Uzasadnić, że $\angle PXY = \angle PYX$. \item \begin{thm}[Kryterium współokręgowości] Jeżeli punkty $S,A,B$ oraz $S, C, D$ leżą odpowiednio na dwu półprostych o~początku w~$S$ to $A, B, C, D$ leżą na jednym okręgu wtedy i~tylko wtedy, gdy $|SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD|$. \end{thm} \item Uzasadnij, że teza poprzedniego twierdzenia zachodzi również, gdy $S$ leży na odcinkach $AB$ i~$CD$. \item Punkty $E, F$ leżą na bokach $AC, AB$ trójkąta $ABC$ odpowiednio. Odcinki $BE$ i $CF$ przecinają się w $M$ i zachodzi $MB\cdot ME=MC\cdot MF$. Udowodnij, że zachodzi $AE\cdot AC=AF\cdot AB$. \item Dane są okręgi $o_1, o_2$ oraz punkt $P$. Półproste $k$ i~$l$ mają początek w~$P$ i przecinają: $k$ okrąg $o_1$ w~$A, B$, zaś $l$ okrąg $o_2$ w~$C$, $D$ ($A\neq B$, $C\neq D$). Udowodnić, że na $A,B,C,D$ da się opisać okrąg wtedy i~tylko wtedy, gdy $P$ leży na osi potęgowej $o_1$ i~$o_2$. \item Okręgi $o_1$, $o_2$ przecinają się w~punktach $K$ i~$L$ i~są styczne wewnętrznie do okręgu $o$ w~punktach $A, B$ odpowiednio, przy czym promień $o$ jest większy od promieni $o_1$ i~$o_2$. Prosta $k$ jest styczna zewnętrznie do $o_1$ i~$o_2$ odpowiednio w~punktach $C$ i~$D$. Proste $AC$ i~$BD$ przecinają się w~$S$. Wykazać, że $K, L, S$ są współliniowe. \emph{Niedługo (ale nie teraz ;) udowodnimy, że (co najmniej w~części przypadków) punkt $S$ leży na $o$.} \end{enumerate} \subsection{Oś potęgowa} \begin{enumerate} \item Jeśli okręgi $o_1,o_2,o_3$ są takie, że $o_1\cap o_2=\{A,B\}$, $o_2\cap o_3=\{C,D\}$, $o_3\cap o_1=\{E,F\}$, to proste $AB, CD, EF$ albo są wszystkie równoległe, albo przecinają się w jednym punkcie. \item Uzasadnij, że wysokości w~trójkącie $ABC$ przecinają się w~jednym punkcie. \emph{Rozważ okręgi o~średnicach $AB$, $BC$, $CA$.} \item * W~sześciokącie wypukłym $ABCDEF$ mamy równości odcinków: $FA = AB$, $BC = CD$, $DE = EF$. Udowodnić, że wysokości trójkątów $ABC$, $CDE$, $EFA$, poprowadzone odpowiednio z~wierzchołków $B, D, F$ przecinają się w~jednym punkcie. \emph{Rozważ odp. okręgi.} \item * Nieprostopadłe przekątne $AC$ i~$BD$ czworokąta wypukłego $ABCD$ przecinają się w~punkcie $E$. Wykazać, że prosta przechodząca przez ortocentra $BCE$ i~$ADE$ jest prostopadła do prostej przechodzącej przez środki odcinków $AB$ i~$CD$. \emph{Wsk.: udowodnić, że ortocentra leżą na osi potęgowej okręgów, których średnicami są $AB$ i~$CD$.} \end{enumerate} \end{document}
Źródło rozwiązań w texu. % File: zad.tex % Created: Wed Dec 15 06:00 PM 2010 C % Last Change: Wed Dec 15 06:00 PM 2010 C \documentclass[10pt]{article} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsmath} \textwidth 16cm \textheight 24cm \oddsidemargin 0cm \topmargin 0pt \headheight 0pt \headsep 0pt \usepackage[polish]{babel} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage{polski} \usepackage{import} %\usepackage{figure} \usepackage[pdftex]{graphicx} %\usepackage{MnSymbol} % ---------------------------------------------------------------- \vfuzz4pt % Don't report over-full v-boxes if over-edge is small \hfuzz4pt % Don't report over-full h-boxes if over-edge is small % THEOREMS ------------------------------------------------------- \newtheorem{thm}{Twierdzenie}[section] \newtheorem{cor}[thm]{Wniosek} \newtheorem{lem}[thm]{Lemat} \newtheorem{defn}[thm]{Definicja} \newtheorem{tozs}[thm]{Tożsamość} \newtheorem{hyp}[thm]{Hipoteza} \newtheorem{useless}[thm]{} \newenvironment{proof}[1][Dowód. ]{\noindent\textsc{#1}} {\nolinebreak[4]\hfill$\blacksquare$\\\par} \newenvironment{sol}[1][Rozwiązanie. ]{ \noindent\textsc{#1}} {\hfill\par} \newenvironment{problem}{\noindent\textsc{Zadanie}\\} {\hfill\par} \def\deg{^{\circ}} \def\source#1{\\Źródło: #1} \def\abs#1{\left| #1 \right|} %\subimport{../}{style} \include{style} \begin{document} %\setlength{\topmargin}{-0.5in} \section{Potęga punktu} \subsection{Teoria} \begin{minipage}{10.5cm} \begin{thm}[o~siecznych, o~stycznej] Dany jest okrąg $o$ o~środku $O$ i~promieniu $R$ oraz~punkt $P$. Jeżeli prosta $l$ przechodzi przez $P$ i~przecina okrąg $o$ w~(niekoniecznie różnych) punktach $A$ i~$B$, to iloczyn $|PA| \cdot |PB|$ nie zależy od wyboru $l$, a~dokładniej \[ |PA| \cdot |PB| = \abs{|PO|^{2} - R^2}. \] \end{thm} \end{minipage}\begin{minipage}{5cm} \includegraphics[origin=c]{pow_in} \end{minipage} \begin{defn}[potęga punktu] Przy powyższych oznaczeniach liczbę (być może ujemną!) $|PO|^{2} - R^2$ nazywamy \textbf{potęgą punktu} $P$ względem $o$ i~oznaczamy $p(P, o)$. \end{defn} \begin{cor} \mbox{} \begin{enumerate} \item $p(P, o) < 0$ gdy $P$ leży we wnętrzu koła o~brzegu $o$, $p(P, o) = 0$ gdy $P$ leży na $o$ oraz $p(P, o) > 0$, gdy $P$ leży poza $o$. \item przy oznaczeniach twierdzenia (nadal dla dowolnej prostej) mamy \[\begin{array}{l l} p(P, o) = -|PA|\cdot |PB| & \hbox{gdy }P\hbox{ leży wewnątrz }o\\ p(P, o) = |PA|\cdot |PB| & \hbox{inaczej} \end{array}\] \item Jeżeli $P$ leży poza okręgiem $o$, to $p(P, o)$ jest kwadratem długości stycznej do $o$ przechodzącej przez~$P$. \end{enumerate} \end{cor} \begin{minipage}{10.5cm} \begin{thm} Ustalmy dwa niewspółśrodkowe okręgi $o_1, o_2$ o~środkach $O_1, O_2$. Zbiór punktów $P$ takich, że $p(P, o_1) = p(P, o_2)$ jest \textbf{prostą prostopadłą} do $O_1O_2$; nazywamy ją \textbf{osią potęgową okręgów} $o_1,o_2$. \end{thm} \begin{cor} Jeżeli okręgi przecinają się, to prosta przechodzi przez punkty przecięcia. \end{cor} \end{minipage}\begin{minipage}[<+tb+>]{5.5cm} \includegraphics[origin=c]{eq_pow} \end{minipage} \begin{thm}[** Brianchona] Jeżeli w~sześciokąt $ABCDEF$ da się wpisać okrąg to przekątne $AD, BE, CF$ mają punkt wspólny. \end{thm} \subsection{Zadania} \begin{enumerate} \item Uzasadnij, że zbiór punktów mających potęgę względem danego okręgu $o$ równą $p > 0$ jest okręgiem. \begin{sol} Niech $R$ będzie promieniem $o$. Punkt $P$ należy do tego zbioru wtedy i~tylko wtedy, gdy $p = p(P, o) = |PO|^2 - R^2$, czyli gdy $|PO| = \sqrt{p + R^2}$, innymi słowy gdy $P$ leży na okręgu o~środku $O$ i~promieniu $\sqrt{p + R^2}$. \end{sol} \item \emph{Eliminacje do PTM -- przypomnienie.} Dane są okręgi $O_1, O_2$, przecinające się w punktach $A,B$. Punkt $P$ leży na prostej $AB$, proste $PX$, $PY$ są styczne do $O_1$, $O_2$ odpowiednio. Uzasadnić, że $\angle PXY = \angle PYX$. \begin{sol} Prosta $AB$ jest osią potęgową $O_1$ i~$O_2$, skoro więc punkt $P$ leży na niej to $p(P, O_1) = p(P, O_2)$. Z~teorii wiemy, że $p(P, O_1) = |PX|^2$, $p(P, O_2) = |PY|^2$, stąd $|PX|^2 = |PY|^2$, $|PX| = |PY|$, więc trójkąt $PXY$ jest równoramienny, co kończy dowód. \end{sol} \item \begin{thm}[Kryterium współokręgowości] Jeżeli punkty $S,A,B$ oraz $S, C, D$ leżą odpowiednio na dwu półprostych o~początku w~$S$ to $A, B, C, D$ leżą na jednym okręgu wtedy i~tylko wtedy, gdy $|SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD|$. \end{thm} \emph{Zakładamy tutaj i~dalej, że owe dwie półproste nie tworzą prostej, a~punkty $A,B$ i~$C,D$ są różne.} \begin{sol} ``wtedy''. Jeżeli $A, B, C, D$ leżą na jednym okręgu, to $|SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD|$. ``tylko wtedy''. Załóżmy zatem, że $|SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD|$. Okrąg opisany na $A, B, C$ przecina półprostą $SC$ w~punkcie $D'$ (gdy jest on styczny przyjmujemy $D' = C$). Korzystając z~implikacji ``wtedy'' obliczam $|SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD|$. Łącznie $|SC|\cdot |SD| = |SA|\cdot |SB| = |SC| \cdot |SD'|$, czyli $|SD| = |SD'|$, $D = D'$. \end{sol} \item Uzasadnij, że teza poprzedniego twierdzenia zachodzi również, gdy $S$ leży na odcinkach $AB$ i~$CD$. \begin{sol} Identycznie jak w~poprzednim przypadku. \end{sol} \item Punkty $E, F$ leżą na bokach $AC, AB$ trójkąta $ABC$ odpowiednio. Odcinki $BE$ i $CF$ przecinają się w $M$ i zachodzi $MB\cdot ME=MC\cdot MF$. Udowodnij, że zachodzi $AE\cdot AC=AF\cdot AB$. \begin{sol} Skoro $MB\cdot ME=MC\cdot MF$ to (z~powyższego kryterium) $B, E, C, F$ leżą na jednym okręgu $o$, a~skoro tak to $AE\cdot AC = p(A, o) = AF\cdot AB$. \end{sol} \item Dane są okręgi $o_1, o_2$ oraz punkt $P$. Półproste $k$ i~$l$ mają początek w~$P$ i przecinają: $k$ okrąg $o_1$ w~$A, B$, zaś $l$ okrąg $o_2$ w~$C$, $D$ ($A\neq B$, $C\neq D$). Udowodnić, że na $A,B,C,D$ da się opisać okrąg wtedy i~tylko wtedy, gdy $P$ leży na osi potęgowej $o_1$ i~$o_2$. \begin{sol} Oba warunki z~zadania są równoważne równości $PA\cdot PB = PC\cdot PD$. \end{sol} \item Okręgi $o_1$, $o_2$ przecinają się w~punktach $K$ i~$L$ i~są styczne wewnętrznie do okręgu $o$ w~punktach $A, B$ odpowiednio, przy czym promień $o$ jest większy od promieni $o_1$ i~$o_2$. Prosta $k$ jest styczna zewnętrznie do $o_1$ i~$o_2$ odpowiednio w~punktach $C$ i~$D$. Proste $AC$ i~$BD$ przecinają się w~$S$. Wykazać, że $K, L, S$ są współliniowe. \begin{sol} Niech $O, O_1,O_2$ oznaczają środki odpowiednich okręgów. Potrzebny nam będzie fakt, że $S$ leży na $o$. Niech $S'$ będzie przecięciem $BD$ z~$o$. Punkty $B, O_2, O$ są współliniowe, więc trójkąty $BO_2D$ i~$BOS'$ są równoramienne o~wspólnym kącie, stąd $\angle BDO_2 = \angle BS'O$, zatem $CD$ jest równoległe do stycznej do $o$ w~punkcie $S'$. Analogicznie konstruując z~$AC$ punkt $S''$ stwierdzamy, że styczna w~$S''$ jest również równoległa do $CD$, a~więc $S' = S''$ (punkty $S'$ i~$S''$ leżą po tej samej stronie $CD$). \begin{minipage}[<+tb+>]{9cm} To dowodzi, że $S' = S''$ jest punktem przecięcia $AC$ i~$BD$, więc $S' = S$. Korzystając z~poprzedniego zadania, $S$ leży na $KL$, czyli na osi potęgowej $O_1$ i~$O_2$ jeżeli na $ABCD$ da się opisać okrąg. Trójkąty $BOS$ i~$BO_2D$ są równoramienne, więc zachodzą równości \[\angle BAC = \angle BAS = \frac{1}{2}\angle BOS = 90^\circ - \angle OBS\] oraz \[ \angle BDC = \angle BDO_2 + \angle O_2DC = \angle BDO_2 + 90^\circ \] stąd \[ \angle BDC + \angle BAC = 180^\circ, \] czyli na $ABCD$ da się opisać okrąg, co kończy dowód. \end{minipage}\begin{minipage}[<+tb+>]{8cm} \includegraphics{7.pdf} \end{minipage} \end{sol} \end{enumerate} \subsection{Oś potęgowa} \begin{enumerate} \item Jeśli okręgi $o_1,o_2,o_3$ są takie, że $o_1\cap o_2=\{A,B\}$, $o_2\cap o_3=\{C,D\}$, $o_3\cap o_1=\{E,F\}$, to proste $AB, CD, EF$ albo są wszystkie równoległe, albo przecinają się w jednym punkcie. \begin{sol} Niech $S$ będzie punktem przecięcia $AB$ i~$CD$. Skoro są to osie potęgowe to $p(S, o_1) = p(S, o_2)$ i~$p(S, o_2) = p(S, o_3)$, a~więc również $p(S, o_1) = p(S, o_3)$, czyli $P\in EF$. \end{sol} \item Uzasadnij, że wysokości w~trójkącie $ABC$ przecinają się w~jednym punkcie. \emph{Rozważ okręgi o~średnicach $AB$, $BC$, $CA$.} \begin{sol} Niech $o_{AB}, o_{BC}, o_{CA}$ oznaczają okręgi o~średnicach $AB, BC, CA$ odpowiednio. Zauważmy, że osiami potęgowymi par okręgów są wysokości w~trójkącie. Zaiste niech $k$ oznacza oś potęgową $o_{AB}$ i~$o_{CA}$. Wtedy $A\in k$, gdyż $A\in o_{AB}\cap o_{CA}$, a~ponadto $k\perp M_{AB}M_{CA} || BC$, czyli $k$ jest wysokością. \emph{$M_{XY}$ oznacza środek odcinka $XY$.} \end{sol} \item * W~sześciokącie wypukłym $ABCDEF$ mamy równości odcinków: $FA = AB$, $BC = CD$, $DE = EF$. Udowodnić, że wysokości trójkątów $ABC$, $CDE$, $EFA$, poprowadzone odpowiednio z~wierzchołków $B, D, F$ przecinają się w~jednym punkcie. \emph{Rozważ odp. okręgi.} \begin{sol} Rozważmy okręgi $o_A, o_C, o_E$ o~środkach w~$A, C, E$ i~promieniach $AB, CD, EF$ odpowiednio. Analogicznie jak w~poprzednim zadaniu udowadniamy, że osiami potęgowymi okręgów są wysokości z~treści zadania. Osie te mają punkt wspólny, co kończy dowód. \end{sol} \item * Nieprostopadłe przekątne $AC$ i~$BD$ czworokąta wypukłego $ABCD$ przecinają się w~punkcie $E$. Wykazać, że prosta przechodząca przez ortocentra $BCE$ i~$ADE$ jest prostopadła do prostej przechodzącej przez środki odcinków $AB$ i~$CD$. \emph{Wsk.: udowodnić, że ortocentra leżą na osi potęgowej okręgów, których średnicami są $AB$ i~$CD$.} \begin{sol} Niech dla skrótu $o_{XY}$ oznacza okrąg o~średnicy $XY$, $h_X$ dla $X\in \{E, B, C\}$ oznacza wysokość w~trójkącie $EBC$ wypuszczoną z~wierzchołka $X$, a~$k\cap l \cap n$ oznacza przecięcie prostych $k, l, n$. Niech $H$ oznacza ortocentrum $BCE$, innymi słowy $H = h_E \cap h_B \cap h_C$. Zauważmy, że $h_B, h_E, h_C$ są osiami potęgowymi par okręgów: $o_{AB}$ i~$o_{EB}$, $o_{EB}$ i~$o_{EC}$, $o_{EC}$ i~$o_{CD}$. Stąd $p(o_{AB}, H) = p(o_{EB}, H) = p(o_{EC}, H) = p(o_{CD}, H)$, czyli $H$ leży na osi potęgowej $o_{AB}$ i~$o_{CD}$. Analogicznie ortocentrum $ADE$ leży na tej osi, zatem prosta przechodząca przez te (różne!) punkty jest osią potęgową $o_{AB}$ i~$o_{CD}$, czyli jest prostopadła do prostej łączącej środki tych okręgów. \end{sol} \end{enumerate} \end{document} |
Poprawiony: wtorek, 04 stycznia 2011 21:57 |