«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал (издаётся с 1970 года)
Старый сайт журнала: kvant.ras.ru

Задача М1039

Условие задачи (1987, № 4) Задача М1039 // Квант. — 1987. — № 4. — Стр. 22; 1987. — № 8. — Стр. 27—28.

Точки $A$‍,$B$‍,$C$‍,$D$‍‍ — вершины тетраэдра. Докажите, что

  1. если $\overrightarrow{DA}\cdot\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{CA}=\overrightarrow{DC}\cdot\overrightarrow{AB}$‍,‍ то все три эти скалярные произведения равны 0;
  2. если три угла между противоположными рёбрами тетраэдра равны, то они прямые.

В. Э. Матизен


Решение задачи (1987, № 8) Задача М1039 // Квант. — 1987. — № 4. — Стр. 22; 1987. — № 8. — Стр. 27—28.

а) Для любых четырёх точек $A$‍,$B$‍,$C$‍,$D$‍‍ справедливо тождество $$ \overrightarrow{DA}\cdot\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{CA}+\overrightarrow{DC}\cdot\overrightarrow{AB}=0.\tag1 $$ Это становится очевидным, если представить левую часть (1) в виде $\overrightarrow a\cdot(\overrightarrow c-\overrightarrow b)+\overrightarrow b\cdot(\overrightarrow a-\overrightarrow c)+\overrightarrow c\cdot(\overrightarrow b-\overrightarrow a)$‍,‍ где $\overrightarrow a=\overrightarrow{DA}$‍,$\overrightarrow b=\overrightarrow{DB}$‍,$\overrightarrow c=\overrightarrow{DC}$‍.‍ Из (1) сразу следует утверждение задачи.

б) Пусть угол между противоположными рёбрами тетраэдра равен $\alpha$‍,‍ тогда углы между векторами $\overrightarrow{DA}$‍‍ и $\overrightarrow{BC}$‍,$\overrightarrow{DB}$‍‍ и $\overrightarrow{CA}$‍,$\overrightarrow{DC}$‍‍ и $\overrightarrow{AB}$‍‍ равны $\alpha$‍‍ или $180^\circ-\alpha$‍.‍ Поэтому (1) можно переписать так: $$ \cos\alpha\,(\pm DA\cdot BC\pm DB\cdot CA\pm DC\cdot AB)=0. $$ Покажем, что выражение в скобках не может равняться нулю, т. е. $\cos\alpha=0$‍‍ и $\alpha=90^\circ$‍.‍ Для этого достаточно доказать, что произведение длин любых двух противоположных рёбер тетраэдра строго меньше суммы произведений длин двух других пар противоположных рёбер, например $$ DA\cdot BC<DB\cdot CA+DC\cdot AB.\tag2 $$

Проведём через точки $A$‍,$B$‍‍ и $C$‍‍ произвольную сферу. Пусть она пересекает рёбра $DA$‍,$DB$‍‍ и $DC$‍‍ в точках $A_1$‍,$B_1$‍,$C_1$‍.‍ Легко видеть, что треугольники $ABD$‍‍ и $B_1A_1D$‍‍ подобны, и, следовательно, $A_1B_1=\dfrac{AB\cdot DB_1}{DA}$‍.‍ Аналогично, $B_1C_1=\dfrac{BC\cdot DB_1}{DC}$‍.‍ Деля почленно первое из этих равенств на второе, получим, что $$ \dfrac{A_1B_1}{B_1C_1}=\dfrac{AB\cdot DC}{DA\cdot BC}. $$ Таким образом, стороны треугольника $A_1B_1C_1$‍‍ пропорциональны произведениям противоположных рёбер тетраэдра, и (2) следует из неравенства треугольника для $A_1B_1C_1$‍.

Тетраэдры, о которых идёт речь в этой задаче, называются ортоцентрическими, так как их высоты пересекаются в одной точке (что, вообще говоря, не имеет места).

В. Э. Матизен


Метаданные Задача М1039 // Квант. — 1987. — № 4. — Стр. 22; 1987. — № 8. — Стр. 27—28.

Предмет
Математика
Условие
Решение
Номера

1987. — № 4. — Стр.  [условие]

1987. — № 8. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М1039 // Квант. — 1987. — № 4. — Стр. 22; 1987. — № 8. — Стр. 27‍—‍28.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m1039/