Геометрия. 7–9 классы · Атанасян, Бутузов и др.

Задание 831

Задачи повышенной трудности

Задача 1

Условие (кратко)

Диагонали выпуклого четырёхугольника разбивают его на четыре треугольника с равными периметрами. Докажите, что этот четырёхугольник — ромб.

Решение

Дано: \(ABCD\) — выпуклый четырёхугольник, \(O\) — точка пересечения диагоналей (она существует по задаче 827), периметры треугольников \(AOB\), \(BOC\), \(COD\), \(DOA\) равны. Доказать: \(ABCD\) — ромб.

  1. Вспомогательное утверждение. Если \(OA \ge OC\) и \(OB \ge OD\), причём хотя бы одно неравенство строгое, то периметр \(\triangle AOB\) больше периметра \(\triangle COD\). Отметим на отрезках \(OA\) и \(OB\) точки \(C_1\) и \(D_1\): \(OC_1 = OC\), \(OD_1 = OD\). Треугольники \(C_1OD_1\) и \(COD\) равны по двум сторонам и углу между ними (углы при \(O\) вертикальные), поэтому \(C_1D_1 = CD\). Ломаная \(C_1ABD_1\) длиннее отрезка \(C_1D_1\) (её вершины не лежат на одной прямой, а если \(C_1 = A\), то \(AB + BD_1 > AD_1\) по неравенству треугольника). Поэтому

    \[P_{AOB} = OC_1 + OD_1 + (C_1A + AB + BD_1) > OC + OD + CD = P_{COD}.\]

  2. Пусть \(OA > OC\). Если при этом \(OB \ge OD\), то по шагу 1 \(P_{AOB} > P_{COD}\) — противоречие. Значит, \(OD > OB\). Но тогда у треугольников \(DOA\) и \(BOC\): \(OD > OB\) и \(OA > OC\), и по шагу 1 \(P_{DOA} > P_{BOC}\) — снова противоречие. Итак, \(OA \le OC\); так же (поменяв роли \(A\) и \(C\)) \(OC \le OA\). Значит, \(OA = OC\).

  3. Если теперь \(OB \ne OD\), например \(OB > OD\), то у треугольников \(AOB\) и \(COD\): \(OA = OC\), \(OB > OD\), и по шагу 1 их периметры различны — противоречие. Значит, \(OB = OD\).

  4. Диагонали четырёхугольника точкой пересечения делятся пополам, значит, \(ABCD\) — параллелограмм.

  5. Из \(P_{AOB} = P_{BOC}\): \(OA + OB + AB = OB + OC + BC\), а так как \(OA = OC\), то \(AB = BC\). Параллелограмм, у которого смежные стороны равны, — ромб.

Ответ
Утверждение доказано: диагонали делятся точкой пересечения пополам, а смежные стороны равны — четырёхугольник является ромбом
Почему так

Из равенства периметров следует, что диагонали делятся пополам (иначе один треугольник «объемлет» другой и его периметр больше), а затем — равенство смежных сторон.

Подробнее — в теме «Ромб и квадрат».

Условия задач приведены кратким пересказом. Полный текст — в учебнике «Геометрия. 7–9 классы» (Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С. Б. Кадомцев, Э. Г. Позняк, И. И. Юдина; Просвещение, 2023, 2024).

Нашли ошибку?

Опечатка, неверный ответ, непонятное объяснение — напишите, что не так. Мы проверим и исправим.