9792. На рёбрах
DA
,
DB
и
DC
тетраэдра
ABCD
отмечены точки
K
,
M
и
N
соответственно, причём
AK:KD=1:2
и
BM:MD=CN:ND=1:1
. Точки
E
и
F
лежат на прямых
CM
и
BK
соответственно, причём
EF\parallel AN
. Найдите отношение
EF:AN
.
Ответ.
2:5
.
Решение. Первый способ. Заметим, что отрезок
EF
, удовлетворяющий условию задачи, единственный, так как в противном случае, прямые
CM
и
BK
не были бы скрещивающимися.
Отметим на ребре
BD
точку
P
между
B
и
M
. Обозначим
DM=BM=q
,
MP=p
. Пусть отрезки
PN
и
CM
пересекаются в точке
X
, а отрезки
AP
и
BK
— в точке
Y
. Предположим, что
XY\parallel AN
. Тогда
NX:XP=AY:YP
.
По теореме Менелая для треугольника
MDN
и прямой
CM
получаем, что
\frac{PM}{MD}\cdot\frac{DC}{CN}\cdot\frac{NX}{XP}=1,

откуда
\frac{p}{q}=\frac{PM}{MD}=\frac{CN}{DC}\cdot\frac{XP}{NX}=\frac{1}{2}\cdot\frac{XP}{NX}.

По теореме Менелая для треугольника
ADP
и прямой
BK
получаем, что
\frac{DK}{KA}\cdot\frac{AY}{YP}\cdot\frac{PB}{BD}=1,

откуда
\frac{q-p}{2q}=\frac{PB}{BD}=\frac{KA}{DK}\cdot\frac{YP}{AY}=\frac{1}{2}\cdot\frac{YP}{AY}=\frac{1}{2}\cdot\frac{XP}{NX}.

Значит,
\frac{p}{q}=\frac{q-p}{2q}
, откуда
q=3p
, поэтому
\frac{YP}{AY}=\frac{XP}{NX}=\frac{2p}{q}=\frac{2p}{3p}=\frac{2}{3}.

Из единственности точки
X
и
Y
совпадают с точками
E
и
F
соответственно. Следовательно,
\frac{EF}{AN}=\frac{XY}{AN}=\frac{2}{5}
. Из единственности также следует, что точка
P
действительно лежит между
B
и
M
.
Второй способ. Обозначим
\overrightarrow{DA}=\overrightarrow{a}
,
\overrightarrow{DB}=\overrightarrow{b}
,
\overrightarrow{DC}=\overrightarrow{c}
,
\frac{EM}{CE}=\lambda
,
\frac{FK}{FB}=\mu
. Тогда
\overrightarrow{AN}=-\overrightarrow{a}+\frac{1}{2}\overrightarrow{c},

\overrightarrow{DE}=(1-\lambda)\overrightarrow{DM}+\lambda\overrightarrow{DC}=(1-\lambda)\cdot\frac{1}{2}\overrightarrow{b}+\lambda\overrightarrow{c},

\overrightarrow{DF}=\mu\overrightarrow{DB}+(1-\mu)\overrightarrow{DK}=\mu\overrightarrow{b}+\frac{2}{3}(1-\mu)\overrightarrow{a}

(см. задачу 4186). Значит,
\overrightarrow{EF}=\overrightarrow{DF}-\overrightarrow{DE}=\mu\overrightarrow{b}+\frac{2}{3}(1-\mu)\overrightarrow{a}-(1-\lambda)\cdot\frac{1}{2}\overrightarrow{b}-\lambda\overrightarrow{c}=

=\frac{2}{3}(1-\mu)\overrightarrow{a}+\left(\mu+\frac{1}{2}\lambda-\frac{1}{2}\right)\overrightarrow{b}-\lambda\overrightarrow{c}.

Векторы
\overrightarrow{EF}
и
\overrightarrow{AN}
коллинеарны, поэтому коэффициенты их разложений по трём некомпланарным векторам
\overrightarrow{a}
,
\overrightarrow{b}
и
\overrightarrow{c}
пропорциональны, значит,
\mu+\frac{1}{2}\lambda-\frac{1}{2},~\frac{\frac{2}{3}(1-\mu)}{-1}=\frac{-\lambda}{\frac{1}{2}},

или
\syst{2\mu+\lambda=1\\\mu+3\lambda=1\\}

Из этой системы находим
\lambda=\frac{1}{5}
и
\mu=\frac{2}{5}
. Тогда
\overrightarrow{EF}=\frac{2}{5}\left(\overrightarrow{a}-\frac{1}{2}\overrightarrow{c}\right),

а так как
\overrightarrow{NA}=-\overrightarrow{AN}=\overrightarrow{a}-\frac{1}{2}\overrightarrow{c},

то
\frac{EF}{AN}=\frac{2}{5}
.