174. Докажите, что основания высот, середины сторон и середины отрезков от ортоцентра до вершин треугольника лежат на одной окружности (окружность девяти точек). Где расположен центр этой окружности?
Ответ. Середина отрезка
OH
, где
O
— центр описанной окружности треугольника,
H
— ортоцентр.
Указание. Докажите сначала, что середины сторон треугольника и основание одной из высот лежат на одной окружности (или рассмотрите гомотетию с центром
H
и коэффициентом
\frac{1}{2}
).
Решение. Первый способ. Пусть
H
— точка пересечения высот (ортоцентр) треугольника
ABC
;
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
— середины сторон
BC
,
AC
,
AB
соответственно;
A_{2}
,
B_{2}
,
C_{2}
— основания высот, проведённых из вершин соответственно
A
,
B
,
C
;
A_{3}
,
B_{3}
,
C_{3}
— середины отрезков соответственно
AH
,
BH
,
CH
.
Тогда
C_{1}B_{1}
— серединный перпендикуляр к отрезку
AA_{2}
. Поэтому
\angle C_{1}A_{2}B_{1}=\angle BAC=\angle C_{1}A_{1}B_{1}.

Следовательно, точки
A_{2}
,
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
лежат на одной окружности (отрезок
C_{1}B_{1}
виден из точек
A_{2}
и
A_{1}
под одним и тем же углом).
Аналогично докажем, что точки
B_{2}
,
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
лежат на одной (той же) окружности, и точки
C_{2}
,
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
— на той же окружности.
Таким образом, точки
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
,
A_{2}
,
B_{2}
,
C_{2}
лежат на одной окружности.
Докажем теперь, что этой окружности принадлежат точки
A_{3}
,
B_{3}
,
C_{3}
. Действительно, если углы
B
и
C
острые (рис. 1), то
\angle B_{3}A_{1}C_{3}=\angle BHC=180^{\circ}-\angle BAC=180^{\circ}-\angle B_{3}A_{3}C_{3}.

Если, например, угол
B
тупой (рис. 2), то
\angle B_{3}A_{1}C_{3}=\angle BHC=\angle BAC=\angle B_{3}A_{3}C_{3}.

В любом из этих случаев точки
A_{3}
,
B_{3}
,
A_{1}
,
C_{3}
лежат на одной окружности.
Аналогично докажем, что на этой окружности лежат точки
B_{1}
и
C_{1}
. Следовательно, эта окружность совпадает с рассмотренной ранее.
Пусть
O
— центр описанной окружности треугольника
ABC
. Тогда
OA_{1}=\frac{1}{2}AH=HA_{3}
(см. задачу 1257), а так как
\angle A_{1}A_{2}A_{3}=90^{\circ}
, то
A_{1}A_{3}
— диаметр окружности девяти точек.
Пусть
Q
— точка пересечения диаметра
A_{1}A_{3}
с отрезком
OH
. Тогда
Q
— точка пересечения диагоналей
OH
и
A_{1}A_{3}
параллелограмма
OA_{1}HA_{3}
. Значит,
Q
— общая середина отрезка
OH
и диаметра
A_{1}A_{3}
. Следовательно, центр окружности девяти точек — середина
OH
.
Второй способ. Пусть
AA_{2}
,
BB_{2}
и
CC_{2}
— высоты треугольника
ABC
(рис. 3). Поскольку точки, симметричные ортоцентру
H
треугольника
ABC
относительно его сторон, лежат на описанной окружности треугольника
ABC
(см. задачу 4785), при гомотетии с центром
H
и коэффициентом
\frac{1}{2}
описанная окружность треугольника
ABC
с центром
O
переходит в описанную окружность треугольника
A_{2}B_{2}C_{2}
. Центр этой окружности — середина отрезка
OH
.
Вершины
A
,
B
и
C
при этой гомотетии переходят в середины
A_{3}
,
B_{3}
и
C_{3}
отрезков
HA
,
HB
и
HC
соответственно, значит, эти точки лежат на описанной окружности треугольника
A_{2}B_{2}C_{2}
.
Наконец, точки, симметричные ортоцентру треугольника относительно середин
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
его сторон, лежат на описанной окружности треугольника
ABC
(см. задачу 6300), значит, эти точки гомотетичны с коэффициентом
\frac{1}{2}
и центром
H
точкам, лежащим на описанной окружности треугольника
ABC
, а следовательно, также лежат на описанной окружности треугольника
A_{2}B_{2}C_{2}
.
Третий способ. Пусть
H
— точка пересечения высот (ортоцентр) треугольника
ABC
;
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
— середины сторон
BC
,
AC
,
BC
соответственно;
A_{2}
,
B_{2}
,
C_{2}
— основания высот, проведённых из вершин соответственно
A
,
B
,
C
;
A_{3}
,
B_{3}
,
C_{3}
— середины отрезков соответственно
AH
,
BH
,
CH
.
Докажем сначала, что точки
A_{1}
,
A_{2}
,
A_{3}
,
B_{2}
и
C_{2}
лежат на одной окружности.
Медианы
B_{2}A_{3}
и
C_{2}A_{3}
прямоугольных треугольников
AB_{2}H
и
AC_{2}H
равны половине общей гипотенузы
AH
, поэтому
B_{2}A_{3}=C_{2}A_{3}
. Медианы
B_{2}A_{1}
и
C_{2}A_{1}
прямоугольных треугольников
BB_{2}C
и
CC_{2}B
равны половине общей гипотенузы
BC
, поэтому
B_{2}A_{1}=C_{2}A_{1}
.
Обозначим
\angle ACB=\gamma
. Тогда
\angle CAA_{2}=90^{\circ}-\gamma
. Треугольники
CA_{1}B_{2}
и
AA_{3}B_{2}
равнобедренные, поэтому
\angle CB_{2}A_{1}=\angle A_{1}CB_{2}=\gamma,~\angle AB_{2}A_{3}=\angle B_{2}AA_{3}=90^{\circ}-\gamma.

Значит,
\angle A_{1}B_{2}A_{3}=180^{\circ}-\angle CB_{2}A_{1}-\angle AB_{2}A_{3}=180^{\circ}-\gamma-(90^{\circ}-\gamma)=90^{\circ}.

Аналогично,
\angle A_{1}C_{2}A_{3}=90^{\circ}
. (Это рассуждение годится для остроугольного треугольника, но утверждение верно для любого треугольника.)
Пусть
Q
— середина отрезка
A_{1}A_{3}
. Медианы
B_{2}Q
и
C_{2}Q
прямоугольных треугольников
A_{1}B_{2}A_{3}
и
A_{1}C_{2}A_{3}
равны половине общей гипотенузы
A_{1}A_{3}
, поэтому
QB_{2}=QA_{3}=QA_{1}=QC_{2}
. Значит, точки
A_{1}
,
A_{3}
,
B_{2}
и
C_{2}
лежат на окружности с центром
Q
и радиусом, равным половине отрезка
A_{1}A_{3}
.
Осталось заметить, что
QA_{2}
— медиана прямоугольного треугольника
A_{1}A_{2}A_{3}
, проведённая к гипотенузе
A_{1}A_{3}
. Следовательно,
QA_{2}=\frac{1}{2}A_{1}A_{3}
, т. е. точка
A_{2}
тоже лежит на этой окружности.
Таким образом, доказано, что середина
A_{1}
стороны
BC
и середина
A_{3}
отрезка
AH
лежат на окружности, проходящей через основания
A_{2}
,
B_{2}
и
C_{2}
высот треугольника
ABC
. Аналогично, на этой окружности лежат середины
B_{1}
и
C_{1}
сторон
AC
и
AB
, а также середины
B_{3}
и
C_{3}
отрезков
BH
и
CH
. Через три точки, не лежащие на одной прямой, проходит единственная окружность, следовательно, на ней лежат все девять рассматриваемых точек.
Осталось доказать, что
Q
— середина отрезка
OH
, где
O
— центр описанной окружности треугольника
ABC
. Прямая
OA_{1}
— серединный перпендикуляр к стороне
BC
треугольника
ABC
, поэтому
OA_{1}\parallel HA_{3}
. Кроме того,
OA_{1}=HA_{3}
(см. задачу 1257). Следовательно,
A_{3}HA_{1}O
— параллелограмм. Середина
Q
его диагонали
A_{1}A_{3}
совпадает с серединой его диагонали
OH
. Что и требовалось доказать.



Примечание. 1. Предположим, что при решении первым способом уже доказана первая часть утверждения: окружность, проходящая через основания высот любого треугольника, проходит также через середины его сторон. Поскольку точки
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
— основания высот треугольника
BHC
, окружность, проходящая через эти точки, проходит также через середины его сторон
BH
и
CH
, т. е. через точки
B_{3}
и
C_{3}
. Отсюда следует утверждение задачи.
2. Из третьего способа доказательства следует, что прямые
A_{1}B_{2}
и
A_{1}C_{2}
— касательные к описанной окружности треугольника
AB_{2}C_{2}
(так как
A_{3}B_{2}\perp A_{1}B_{2}
и
A_{3}C_{2}\perp A_{1}C_{2}
), а также, что
AH=2OA_{1}
.
3. См. также статью И.Шарыгина и А.Ягубьянца «Окружность девяти точек и прямая Эйлера», Квант, 1981, N8.
4. См. также статью А.А.Заславского «Эйлер и геометрия», Квант, 2007, N3, с.37-40.
5. См. также статью Д.Швецова «Важная лемма», Квант, 2012, N5/6, с.57-60.
6. См. также пособие П.В.Бибикова, К.В.Козеренко, А.И.Малахова «Геометрия в сюжетах», 7-8 классы.