16152. В равнобедренном треугольнике
ABC
углом
30^{\circ}
при основании
AB
отметили на основании точки
M
и
N
, причём точка
M
лежит между
A
и
N
, а
AM=1
и
NB=2
. Оказалось, что
\angle MCN=60^{\circ}
. Найдите
MN
.
Ответ.
\sqrt{3}
.
Решение. Первый способ. Обозначим
\angle ACM=\alpha
. Тогда
\angle BCN=\angle ACB-\angle ACM-\angle MCN=120^{\circ}-\alpha-60^{\circ}=60^{\circ}-\alpha.

Пусть
P
— точка, симметричная точке
A
относительно прямой
CM
. Тогда
\angle PCN=\angle MCN-\angle MCP=60^{\circ}-\alpha=\angle BCN.

Значит, точка
P
симметрична точке
B
относительно прямой
CN
, и поэтому
PM=AM=1,~PN=BN=2,

\angle MPN=\angle MPC+\angle NPC=\angle MAC+\angle NBC=30^{\circ}+30^{\circ}=60^{\circ}.

Значит (см. задачу 2643),
\angle PMN=90^{\circ}
. Следовательно, по теореме Пифагора
MN=\sqrt{PN^{2}-PM^{2}}=\sqrt{2^{2}-1^{2}}=\sqrt{3}.

Второй способ. Обозначим
\angle MAN=\alpha
,
\angle BCN=\beta
,
CM=x
,
CN=y
. Тогда
\alpha+\beta=\angle ACB-\angle MCN=120^{\circ}-60^{\circ}=60^{\circ}.

Пусть
CH
— высота треугольника
ABC
,
M'
и
N'
— основания перпендикуляров, опущенных из
H
на стороны
AC
и
BC
соответственно, а
MH=u
и
NH=t
. Тогда
CH
— биссектриса угла
ACB
,
H
— середина основания
AB
, а
MM'=\frac{1}{2}AM=\frac{1}{2},~NN'=\frac{1}{2}BN=1.

Значит,
1+u=t+2~\Rightarrow~u=t+1.

Поскольку
\angle MCH=\angle ACH-\angle ACM=60^{\circ}-\alpha=\beta

и аналогично
\angle NCH=\alpha
, то прямоугольные треугольники
CN'N
и
CHM
подобны, причём коэффициент подобия равен
\frac{NN'}{HM}=\frac{1}{u}
. Аналогично, прямоугольные треугольники
CM'M
и
CHN
подобны с коэффициентом
\frac{MM'}{NH}=\frac{1}{2t}
. Значит,
\frac{y}{x}=2t~\mbox{и}~\frac{y}{x}=\frac{1}{u}.

Разделив первое из этих равенств на второе, получим
1=2ut
. Тогда из системы
\syst{u=t+1\\2ut=1\\}

находим, что
t=\frac{\sqrt{3}-1}{2}
и
u=\frac{\sqrt{3}+1}{2}
. Следовательно,
MN=u+v=\frac{\sqrt{3}+1}{2}+\frac{\sqrt{3}-1}{2}=\sqrt{3}.