Теоремы Менелая и Чевы

ТЕОРЕМЫ ЧЕВЫ И МЕНЕЛАЯ

Менела́й Александри́йский (Μενέλαος ὁ Αλεξανδρεύς, ок. 100 н. э.) — древнегреческий математик и астроном. Время его жизни и деятельности определяется приведёнными в «Алмагесте» Птолемея двумя астрономическими наблюдениями, которые Менелай произвёл в Риме в первом году царствования Траяна, то есть в 98 году н. э.Главное сочинение Меналая — «Сферика» в трёх книгах. Его греческий оригинал утрачен, и содержание его известно по арабским, а также последующим вторичным латинским и еврейским переводам. Другие работы: Менелаем были написаны не дошедшие до нас сочинения «О вычислении хорд» в 6 книгах, «Начала геометрии» в 3 книгах, «Книга о треугольнике», «Книга о заходах знаков зодиака». Менелай изучал кривые высших порядков. Менелаю принадлежала «Книга о подразделении составных тел», посвящённая определению удельных весов тел.

Чева Джованни (Ceva Giovanni) (3.3. 1648, Милан,- 13.12.1734, Мантуя) - итальянский инженер и математик. Окончил Пизанский университет. Основные работы по геометрии и механике. Доказал (1678) теорему о соотношении отрезков некоторых прямых, пересекающих треугольник (теорема Чевы). Построил учение о секущих, которое положило начало синтетической геометрии; оно изложено в сочинение "О взаимно пересекающихся прямых"

Особое место в планиметрии отведено двум замечательным теоремам: теореме Чевы и теореме Менелая. Эти теоремы не включены в базовую программу курса геометрии средней школы, но их изучение (и применение) рекомендуется всем, кто интересуется математикой чуть больше, чем это возможно в рамках школьной программы. Чем же интересны эти теоремы? Сначала отметим, что при решении геометрических задач продуктивно сочетаются два подхода:

- один основан на определении базовой конструкции (например: треугольник – окружность; треугольник – секущая прямая; треугольник – три прямых, проходящих через его вершины и пересекающиеся в одной точке; четырехугольник с двумя параллельными сторонами и т.п.),

- а второй – метод опорных задач (простых геометрических задач, к которым сводится процесс решения сложной задачи).

Теорема Менелая

Эта теорема (вместе с обратной) показывает закономерность, наблюдающуюся для отношений отрезков, соединяющих вершины некоторого треугольника и точки пересечения секущей со сторонами (продолжениями сторон) треугольника.

На чертежах приведены два возможных случая расположения треугольника и секущей. В первом случае секущая пересекает две стороны треугольника и продолжение третьей, во втором – продолжения всех трех сторон треугольника

Теорема 1. (Менелая) Пусть

пересечен прямой, не параллельной стороне АВ и пересекающей две его стороны АС и ВС

соответственно в точках В 1 и А 1 , а прямую АВ в точке С 1 тогда

Теорема 2. (обратная теореме Менелая) Пусть в треугольнике АВС точки А 1 , В 1 , С 1 принадлежит прямым ВС, АС, АВ соответственно, тогда, если

то точки А 1 , В 1 , С 1 лежат на одной прямой.

Доказательство первой теоремы можно провести так: на секущую прямую опускают перпендикуляры из всех вершин треугольника. В результате получают три пары подобных прямоугольных треугольников. Фигурирующие в формулировке теоремы отношения отрезков заменяют на отношения перпендикуляров, соответствующих им по подобию. Оказывается, что каждый отрезок – перпендикуляр в дробях будет присутствовать дважды: один раз в одной дроби в числителе, второй раз, в другой дроби, в знаменателе. Таким образом, произведение всех этих отношений окажется равным единице.

Обратная теорема доказывается методом «от противного». Предполагается, что при выполнении условий теоремы 2 точки А 1 , В 1 , С 1 не лежат на одной прямой. Тогда прямая А 1 В 1 пересечет сторону АВ в точке С 2 , отличной от точки С 1 . При этом, в силу теоремы 1, для точек А 1 , В 1 , С 2 будет выполняться то же отношение, что и для точек А 1 , В 1 , С 1 . Из этого следует, что точки С 1 и С 2 поделят отрезок AB в одинаковых отношениях. Тогда эти точки совпадут – получили противоречие.

Пример 1. Доказать, что медианы треугольника в точке пересечения делятся в отношении 2:1 считая от вершины

Решение. Запишем соотношение, полученное в теореме Менелая для треугольника ABM b и прямой M c M(C):

Первая дробь в этом произведении очевидно равна 1, а третья -

Поэтому второе отношение равно 2:1.что и требовалось доказать,

Теорема Чевы

Большинство замечательных точек треугольника могут быть по­лучены при помощи следующей процедуры. Пусть имеется некоторое правило, согласно которому мы сможем выбрать определенную точку A 1 , на стороне BC (или её про­должении) треугольника ABC (например, выберем середину этой стороны). Затем построим аналогичные точки B 1 , C 1 на двух других сторонах треугольника (в нашем примере еще две середи­ны сторон). Если правило выбора удачное, то прямые AA 1 , BB 1 , CC 1 пересекутся в некоторой точке Z (выбор середин сторон в этом смысле, конечно, удачный, так как медианы треугольника пересекаются в одной точке).

Хотелось бы иметь какой-нибудь общий метод, позволяющий по положению точек на сторонах треугольника определять, пересекается ли соответствующая тройка прямых в одной точке или нет.

Универсальное условие, «закрывшее» эту проблему, нашёл в 1678 г. итальянский инженер Джованни Чева .

Определение. Отрезки, соеди­няющие вершины треугольника с точками на противолежащих сторонах (или их продолжениях), называют чевианами, если они пересекаются в одной точке.

Теорема 3. ( Прямая теорема Чевы) В произвольном треугольнике АВС на сторонах ВС, СА, АВ или их продолжениях взяты соответственно точки А 1 , В 1 , С 1 , такие, что прямые АА 1 , ВВ 1 , СС 1 пересекаются в некоторой общей точке, тогда

Доказательство: известно несколько оригинальных доказательств теоремы Чевы, мы рассмотрим доказательство, основанное на двукратном применении теоремы Менелая. Запишем соотношение теоремы Менелая первый раз для треугольника ABB 1 и секущей CC 1 (точку пересечения чевиан обозначим Z):

а второй раз для треугольника B 1 BC и секущей AA 1 :

Перемножив два этих отношения, проведя необходимые сокращения получим соотношение, содержащееся в утверждении теоремы.

Теорема 4. (Обратная теорема Чевы) . Если для выбранных на сторонах треугольника ABC или их продолжениях точек A 1 , В 1 и C 1 выполняется условие Чевы:

то прямые AA 1 , BB 1 и CC 1 пересекаются в одной точке .

Доказательство этой теоремы проводится методом от противного, также, как доказательство теоремы Менелая.

Пример 3. Докажите, что медианы треугольника пересекаются в одной точке.

Решение. Рассмотрим соотношение

для вершин треугольника и середин его сторон. Очевидно, что в каждой дроби в числителе и знаменателе стоят равные отрезки, поэтому все эти дроби равны единице. Следовательно, выполнено соотношение Чевы, поэтому, по обратной теореме, медианы пересекаются в одной точке.

Используемые ресурсы:

Математика – 10 класс

Мендель Виктор Васильевич,

декан факультета естественных наук,

математики и информационных технологий ДВГГУ