16531. Медианы треугольника
ABC
пересекаются в точке
G
. Дано, что
\angle BAC=60^{\circ}
, а
\angle BGC=120^{\circ}
. Докажите, что треугольник равносторонний.
Решение. Обозначим
BC=a
,
CA=b
,
AB=c
,
GB=m
и
GC=n
. Пусть
B_{1}
— середина стороны
AC
.
По теореме косинусов
a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos60^{\circ}=b^{2}+c^{2}-bc.

Тогда (см. задачи 1207 и 4014)
m^{2}=GB^{2}=\left(\frac{2}{3}BB_{1}\right)^{2}=\frac{4}{9}BB_{1}^{2}=\frac{4}{9}\cdot\frac{1}{4}(2a^{2}+2c^{2}-b^{2})=

=\frac{1}{9}(2b^{2}+2c^{2}-2bc+2c^{2}-b^{2})=\frac{1}{9}(3c^{2}+c^{2}-2bc+b^{2})=\frac{1}{9}(3c^{2}+(c-b)^{2}).

Аналогично,
n^{2}=\frac{1}{9}(3b^{2}+(c-b)^{2}).

Из равенства
S_{\triangle BGC}=\frac{1}{3}S_{\triangle ABC}
(см. задачу 3013) получаем
\frac{1}{2}bc\sin60^{\circ}=\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{2}mn\sin120^{\circ}~\Rightarrow~bc=3mn~\Rightarrow~b^{2}c^{2}=9m^{2}n^{2}~\Rightarrow~9b^{2}c^{2}=81m^{2}n^{2}=

=(3c^{2}+(c-b)^{2})(3b^{2}+(c-b)^{2})=9b^{2}c^{2}+(3c^{2}+3b^{2})(c-b)^{2}+(c-b)^{4}=

=9b^{2}c^{2}+(c-b)^{2}(3c^{2}+3b^{2}+c^{2}-2bc+b^{2})=9b^{2}c^{2}+(c-b)^{2}(4c^{2}-2bc+4b^{2})=

=9b^{2}c^{2}+2(c-b)^{2}(2c^{2}-bc+2b^{2})~\Rightarrow~(c-b)^{2}(2c^{2}-bc+2b^{2})=0,

а так как
2c^{2}-bc+2b^{2}\gt0
для всех положительных
b
и
c
, то
b=c
. Следовательно, треугольник
ABC
равносторонний. Что и требовалось доказать.
Источник: Журнал «Mathematics Magazine». — 2008, том 81, № 2, задача 1767, с. 157