2276. Теорема Карно. Дан треугольник
ABC
. Из точек
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
, лежащих на прямых
BC
,
AC
и
AB
соответственно, восставлены перпендикуляры к этим прямым. Докажите, что эти перпендикуляры пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда
C_{1}A^{2}-C_{1}B^{2}+A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2}+B_{1}C^{2}-B_{1}A^{2}=0.

Решение. Необходимость. Пусть указанные перпендикуляры пересекаются в точке
M
. По теореме Пифагора
MA^{2}-C_{1}A^{2}=MB^{2}-C_{1}B^{2},~MB^{2}-A_{1}B^{2}=MC^{2}-A_{1}C^{2},~MC^{2}-B_{1}C^{2}=MA^{2}-B_{1}A^{2}.

Сложив почленно эти равенства, получим, что
C_{1}A^{2}-C_{1}B^{2}+A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2}+B_{1}C^{2}-B_{1}A^{2}=0.

Достаточность. Пусть
C_{1}A^{2}-C_{1}B^{2}+A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2}+B_{1}C^{2}-B_{1}A^{2}=0,

M
— точка пересечения перпендикуляров к
BC
и
AC
. Тогда
MB^{2}-MC^{2}=A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2},~MA^{2}-MC{2}=B_{1}A^{2}-B_{1}C^{2}.

Вычитая почленно эти равенства и учитывая условие задачи, получим, что
MB^{2}-MA^{2}=A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2}+B_{1}C^{2}-B_{1}A^{2}=C_{1}B^{2}-C_{1}A^{2},

а это и означает, что точка
M
лежит на перпендикуляре, восставленном к
AB
в точке
C_{1}
.
Примечание. Теорема верна и в случае, когда точки
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
не лежат на прямых, содержащих стороны треугольника
ABC
, т. е. прямые, проходящие через точки
A_{1}
,
B_{1}
и
C_{1}
перпендикулярно прямым
BC
,
AC
и
AB
соответственно, пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда
C_{1}A^{2}-C_{1}B^{2}+A_{1}B^{2}-A_{1}C^{2}+B_{1}C^{2}-B_{1}A^{2}=0.