6078. В треугольник площади
S
вписан второй треугольник площади
P
и описан третий треугольник площади
Q
, причём стороны третьего треугольника соответственно параллельны сторонам второго. Докажите, что
S=\sqrt{PQ}
.
Решение. Пусть площадь треугольника
ABC
равна
S
, площадь вписанного в него треугольника
A_{1}B_{1}C_{1}
равна
P
, причём точки
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
лежат на сторонах
BC
,
AC
и
AB
соответственно, а площадь описанного около
ABC
треугольника
A_{2}B_{2}C_{2}
равна
Q
, причём
B_{2}C_{2}\parallel B_{1}C_{1}
,
A_{2}C_{2}\parallel A_{1}C_{1}
и
A_{2}B_{2}\parallel A_{1}B_{1}
.
Треугольник
A_{1}B_{1}C_{1}
подобен треугольнику
A_{2}B_{2}C_{2}
с коэффициентом
k=\frac{A_{1}B_{1}}{A_{2}B_{2}}\lt1
. Пусть
O
— точка пересечения прямых
A_{1}A_{2}
и
B_{1}B_{2}
. При гомотетии с центром
O
и коэффициентом
k
отрезок
A_{2}B_{2}
переходит в отрезок
A_{1}B_{1}
, луч
B_{2}C_{2}
— в сонаправленный с ним луч
B_{1}C_{1}
, а луч
A_{2}C_{2}
— в сонаправленный с ним луч
A_{1}C_{1}
. Следовательно, точка
C_{2}
пересечения лучей
B_{2}C_{2}
и
A_{2}C_{2}
переходит в точку пересечения лучей
B_{1}C_{1}
и
A_{1}C_{1}
, т. е. в точку
C_{1}
. Точки
C_{1}
и
C_{2}
гомотетичны с центром
O
, значит, прямая
C_{1}C_{2}
также проходит через точку
O
.
Таким образом, прямые
A_{1}A_{2}
,
B_{1}B_{2}
и
C_{1}C_{2}
пересекаются в точке
O
— центре гомотетии треугольников
A_{2}B_{2}C_{2}
и
A_{1}B_{1}C_{1}
.
Отношение площадей подобных треугольников равно квадрату коэффициента подобия, поэтому
k=\sqrt{\frac{P}{Q}}
.
Треугольник
B_{1}OC_{1}
гомотетичен треугольнику
B_{2}OC_{2}
с тем же центром
O
и с тем же коэффициентом
k
. Отношение площадей треугольников
B_{1}AC_{1}
и
B_{1}OC_{1}
равно отношению высот этих треугольников, опущенных на их общую сторону
B_{1}C_{1}
, т. е.
\frac{S_{\triangle B_{1}AC_{1}}}{S_{\triangle B_{1}OC_{1}}}=\frac{1-k}{k}
, поэтому
S_{\triangle B_{1}AC_{1}}=\frac{1-k}{k}S_{\triangle B_{1}OC_{1}}
. Аналогично
S_{\triangle A_{1}CB_{1}}=\frac{1-k}{k}S_{\triangle A_{1}OB_{1}}
и
S_{\triangle A_{1}BC_{1}}=\frac{1-k}{k}S_{\triangle A_{1}OC_{1}}
, значит,
S=S_{\triangle ABC}=S_{\triangle B_{1}AC_{1}}+S_{\triangle A_{1}CB_{1}}+S_{\triangle A_{1}BC_{1}}+S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}=

=\frac{1-k}{k}S_{\triangle B_{1}OC_{1}}+\frac{1-k}{k}S_{\triangle A_{1}OB_{1}}+\frac{1-k}{k}S_{\triangle A_{1}OC_{1}}+S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}=

=\frac{1-k}{k}\left(S_{\triangle B_{1}OC_{1}}+S_{\triangle A_{1}OB_{1}}+S_{\triangle A_{1}OC_{1}}\right)+S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}=\frac{1-k}{k}S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}+S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}=

=\frac{1-k}{k}P+P=\left(\frac{1-k}{k}+1\right)P=\frac{1}{k}P=\sqrt{\frac{Q}{P}}\cdot P=\sqrt{PQ}.