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