Подобие многоугольников

Подобные многоугольники

252. Понятие о подобии треугольников распространяется и на многоугольники. Пусть дан многоугольник ABCDE (чер. 245); выполним построение аналогичное п. 206. Построим диагонали AC и AD и, выбрав какую-либо точку K на стороне AB между точками A и B или вне отрезка AB, построим KL || BC до пересечения с диагональю AC, затем LM || CD до пересечения с AD и, наконец, MN || DE до пересечения с AE. Тогда получится многоугольник AKLMN, который связан с ABCD следующими зависимостями:

1) Углы одного многоугольника равны попарно углам другого: угол A у них общий, ∠K = ∠B (как соответственные), ∠KLM = ∠BCD, ибо ∠KLA = ∠BCA и ∠ALM = ∠ACD и т. д.

2) Сходственные стороны этих многоугольников пропорциональны, т. е. отношение одной пары сходственных сторон равно отношению другой пары, равно отношению третьей пары и т. д.

«Сходственные» стороны здесь надо понимать несколько иначе, чем для треугольников: здесь считаем сходственными сторонами те, которые заключены между равными углами, например, BC и KL.

Справедливость указанной пропорциональности видна следующим образом:

∆AKL ~ ∆ABC, следовательно, AK/AB = KL/BC = AL/AC
∆ALM ~ ∆ACD, следовательно, AL/AC = LM/CD = AM/AD
∆AMN ~ ∆ADE, следовательно, AM/AD = MN/DE = AN/AE

Мы видим, что среди первых трех равных отношений и среди вторых трех равных отношений имеется одно одинаковое AL/AC; также и последние три отношения связываются с предыдущими отношением AM/AD. Поэтому, пропуская отношения диагоналей, получим:

AK/AB = KL/BC = LM/CD = MN/DE = AN/AE

Все это остается, как легко видеть, справедливым и для многоугольника с большим, чем у нас, числом сторон.

Если мы многоугольник AKLMN перенесем в другое место плоскости, то найденные выше 2 соотношения этого многоугольника с ABCDE останутся в силе; такие многоугольники называются подобными. Итак, два многоугольника называются подобными, если углы одного равны попарно углам другого и если сходственные стороны их пропорциональны.

Мы, следовательно, умеем строить многоугольник, подобный данному. Мы построили AKLMN ~ ABCDE.

Мы видим еще, что в многоугольниках ABCDE и AKLMN построены диагонали из их соответственных вершин,причем получилось два ряда подобных треугольников: ∆AKL ~ ∆ABC, ∆ALM ~ ∆ACD и ∆AMN ~ ∆ADE — треугольники эти одинаково расположены в обоих многоугольниках.

Возникает вопрос, останется ли в силе последнее свойство, если мы построим многоугольник, подобный данному, каким-либо еще способом, не тем, которым мы пользовались здесь.

253. Пусть как-либо построен многоугольник A'B'C'D'E' подобный многоугольнику ABCDE (чер. 246), т. е. так, что

∠A' = ∠A, ∠B' = ∠B, ∠C' = ∠C, ∠D' = ∠D, ∠E' = ∠E      (1)

и

A'B'/AB = B'C'/BC = C'D'/CD = D'E'/DE = E'A'/EA      (2)

Подобные многоугольники

Вопрос конца предыдущего п. равносилен другому: можно ли привести эти два многоугольника в положение, чтобы, например, точка A' совпала с A, а остальные вершины были бы расположены попарно на прямых, идущих из этой общей точки, и чтобы сходственные стороны их или были параллельны, или сторона одного многоугольника расположилась бы на стороне другого.

Решим этот вопрос. Для этого отложим на стороне AB от точки A отрезок AK = A'B' и, пользуясь предыдущим п., построим многоугольник AKLMN ~ ABCDE.

Остается выяснить, может ли многоугольник A'B'C'D'E' совпасть при наложении с AKLMN.

Мы имеем: AK/AB = KL/BC = LM/CD = MN/DE = NA/EA.

Сравнивая эти равенства с равенствами (2) и принимая во внимание, что AK = A'B', легко получаем KL = B'C', LM = C'D' и т. д., т. е. все стороны многоугольников A'B'C'D'E' и AKLMN попарно равны. Наложим многоугольник A'B'C'D'E' на AKLMN так, чтобы A' попала в A и сторона A'B' совпала бы с AK (мы ведь строили AK = A'B'); тогда, в силу равенства углов B' и K, сторона B'C' пойдет по KL, в силу равенства сторон KL и B'C', точка C' попадет в L и т. д.

Итак, A'B'C'D'E' совпадает с AKLMN, а следовательно, если построим диагонали A'C' и A'D', получим ряд треугольников, подобных и одинаково расположенных с ∆ABC, ∆ACD и т. д.

Поэтому заключаем: Если построить в подобных многоугольниках диагонали из соответственных вершин, то получим 2 ряда подобных и одинаково расположенных треугольников.

Легко увидать справедливость и обратного заключения: если, ∆A'B'C' ~ ABC, ∆A'C'D' ~ ∆ACD и ∆A'D'E' ~ ∆ADE, то многоугольник A'B'C'D'E' ~ многоугольнику ABCDE. Тогда ∆A'B'C' = ∆AKL, ∆A'C'D' = ∆ALM и ∆A'D'E' = ∆AMN, откуда следует равенство многоугольников A'B'C'D'E' и AKLMN и, следовательно, подобие A'B'C'D'E' и ABCDE.

254. То положение (две соответственных вершины сливаются в одной точке, остальные вершины попарно лежат на прямых, проходящих чрез эту точку, а сходственные стороны параллельны), в которое нам удалось привести два подобных многоугольника, является частным случаем другого более общего положения двух подобных многоугольников.

Свойства подобных многоугольников

Пусть имеем KLMN ~ ABCD (чер. 247). Возьмем какую-либо точку S и соединим ее со всеми вершинами A, B, C и D первого многоугольника. Постараемся построить многоугольник, равный многоугольнику KLMN, так, чтобы его вершины лежали на прямых SA, SB, SC и SD и стороны были бы параллельны сторонам многоугольника ABCD.

Для этого отложим на стороне AB отрезок AP = KL (полагаем, что KL и AB сходственные стороны) и построим PB' || AS (на чертеже точка P и прямая PB' не даны). Чрез точку B', где SB пересекается с PB', построим B'A' || AB. Тогда A'B' = AP = KL, затем построим B'C' || BC, чрез точку C', где B'C' пересекается с SC, проведем C'D' || CD и точку D', где C'D' пересекается с SD, соединим с A'. Получим многоугольник A'B'C'D', который, как это сейчас увидим, подобен многоугольнику ABCD.

Так как A'B' || AB, то ∆SA'B' ~ ∆SAB, откуда

SA'/SA = A'B'/AB = SB'/SB      (1)

Так как B'C' || BC, то ∆SB'C' ~ ∆SBC, откуда

SB'/SB = B'C'/BC = SC'/SC      (2)

Так как C'D' || CD, то ∆SC'D' ~ ∆SCD, откуда

SC'/SC = C'D'/CD = SD'/SD      (3)

Отсюда можно вывести, что SA'/SA = SD'/SD, а следовательно ∆SA'D' ~ ∆SAD, так как две стороны одного пропорциональны двум сторонам другого и углы между ними равны (∠S общий), - A'D' || AD и

SD'/SD = D'A'/DA = SA'/SA      (4)

Из равенств отношений (1), (2), (3) и (4) легко получаем:

A'B'/AB = B'C'/BC = C'D'/CD = D'A'/DA      (5)

Кроме того, ∠A' = ∠A, ∠B' = ∠B и т. д., как углы с параллельными сторонами. Следовательно, A'B'C'D' ~ ABCD.

Далее легко увидать, что KLMN = A'B'C'D'. В самом деле, ∠K = ∠A, но ∠A = ∠A', следовательно, ∠K = ∠A'; также ∠L = ∠B' и т. д. - углы у наших многоугольников равны. Креме того, из подобия KLMN ~ ABCD получаем:

KL/AB = LM/BC = MN/CD = NK/DA.

Сравнивая эти равные отношения с равенствами (5) и имея в виду, что A'B' = KL, находим: B'C' = LM, C'D' = MN, D'A' = NK. Теперь легко, как это делали выше, увидать, что KLMN при наложении совместится с A'B'C'D'. Следовательно, нам удалось поместить данные подобные многоугольники в такое положение, что их вершины расположены попарно на прямых, проходящих чрез точку S и их сходственные стороны параллельны, к чему мы и стремились.

Заметим еще, что соответственные вершины в наших многоугольниках следуют друг за другом в одном направлении (см. стрелки около многоугольников ABCD, KLMN и A'B'C'D') — по часовой стрелке.

Если бы вершины одного многоугольника, соответствующие последовательным вершинам другого, шли друг за другом в направлении, обратном тому, как они расположены в другом, то удалось бы поместить наши многоугольники так, чтобы соответствующие вершины располагались по разные стороны от точки S (см. чер. 248).

Построение подобного многоугольника

Точка S, где сходятся прямые, соединяющие пары соответственных вершин многоугольников, называется центром подобия; в первом случае (чер. 247), когда обе соответственные вершины (например, A и A') расположены в одной стороне от S, центр подобия называется внешним, а во втором (чер. 248), когда соответствующие вершины расположены по разные стороны точки S, центр подобия называется внутренним. Если подобные многоугольники расположены так, что они имеют центр подобия, то говорят, что они подобно расположены.

255. Если нам дан многоугольник ABCD (чер. 247 или 248), - будем данный многоугольник называть оригиналом, - мы можем, выбрав произвольную точку S, получать его изображения, подобные ему в каком угодно масштабе, - этим именем называют отношение какого-либо отрезка изображения к соответствующему отрезку в оригинале (в данном многоугольнике). Это отношение называют еще коэффициентом подобия — обозначим его через k. Пока еще для нас коэффициентом подобия является отношение стороны изображения к стороне оригинала, т. е.

A'B/AB = B'C/BC = … = k.

В дальнейшем мы распространим это понятие на отношение всяких двух отрезков изображения и оригинала, сходственных между собою.

Из равенства (1), (2), (3) и (4) предыдущего п., имеем:

SA'/SA = SB'/SB = SC'/SC = SD'/SD = A'B'/AB = k,

т. е. отношение расстояний от центра подобия соответственных вершин изображения и оригинала = коэффициенту подобия.

Под именем фигура (плоская) мы понимаем совокупность точек и линий плоскостей. Многоугольники ABCD — есть фигура. Присоединим еще одну точку (выбранную по произволу) E — получим новую фигуру состоящую из многоугольника ABCD и точки E, - найдем изображение точки E. Для этого построим прямую SE и на ней отложим отрезок SE так, чтобы SE'/SE = k (такой отрезок легко построить, пользуясь п. 214); этот отрезок мы можем отложить по направлению SE (чер. 247); или в обратном направлении (чер. 248). Полученная точка E' и есть изображение точки E — другими словами точки E' и E суть соответственные точки в наших двух подобных и подобно расположенных фигурах.

Соединив точку E, например, с B и точку E' с B' (B и B' суть тоже соответственные точки), получим два соответствующих друг другу отрезка BE и B'E'.

Легко увидать, что ∆SBE ~ ∆SB'E' (так как ∠BSE = ∠B'SE и стороны, составляющие эти углы, пропорциональны: SB'/SB = k и SE'/SE = k, - следовательно, SB'/SB = SE'/SE), отсюда вытекает:

1) B'E' || BE и 2) B'E'/BE = SB'/SB = k

т. е. соответствующие друг другу отрезки в изображении и оригинале 1) параллельны между собою и 2) их отношение равно коэффициенту подобия.

Отсюда вытекает возможность следующего построения для нахождения точки, соответствующей данной в оригинале точке, если уже имеем одну пару соответствующих точек и известен центр подобия: пусть имеем пару соответствующих точек B и B' и требуется найти точку, соответствующую точке E, - строим прямые SE и BE и чрез B' строим прямую, параллельную BE, ее точка пересечения E' с SE и даст искомую точку.

256. Построим для какой-либо фигуры, одна точка которой есть A (чер. 249), ее изображения, принимая две произвольных точки S1 и S2 за внешние центры подобия и числа k1 и k2 за коэффициенты подобия. Пусть в первом изображении точке A соответствует точка A' и во втором изображении этой же точке соответствует точка A''.

Построение изображения фигуры

Присоединим еще к данной фигуре какую-либо точку B, лежащую на прямой S1S2; тогда этой точке B соответствуют в первом изображении точка B' и во втором точка B'', причем точки B' и B'' должны лежать на той же прямой S1S2 и прямые AB, A'B' и A''B'' должны быть параллельны и одинаково направлены.

Тогда имеем:

A'B'/AB = k1 и A''B''/AB = k2.

Отсюда находим:

A'B'/A''B'' = k1/k2.

Соединим точки A' и A'', найдем точку пересечения S3 прямых A''A' и S2S1. Тогда из подобия треугольников S3A'B' и S2A''B'' находим:

S3B'/S3B'' = A'B'/A''B'' = k1/k2,

Соединив точки A' и A'', найдем точку пересечения S3 прямых A''A' и S2S1. Тогда из подобия треугольников S3A'B' и S2A''B'' находим:

S3B'/S3B'' = A'B'/A''B'' = k1/k2,

т. е. точка S2 должна делить отрезок B'B'' внешним образом в отношении, равном данному числу k1/k2. Мы знаем (п. 217), что существует только одна точка, которая делит данный отрезок B'B'' в данном отношении внешним образом. Если мы возьмем какую-либо еще точку C данной фигуры и построим ее изображения C' и C'', то, соединив точки C' и C'' и взяв точку пересечения, назовем ее опять S3, прямой C'C'' с прямой S1S2, получим, что ∆S3B'C' ~ ∆S3B''C'' (B''C'' || BC и B'C' || BC, следовательно, B''C'' || B'C'), откуда опять найдем, что S3B'/S3B'' = k1/k2, т. е. новая точка S3 совпадает с прежнею. Следовательно, S3 есть центр подобия фигур (A'B'C'...) и (A''B''C''...) и притом внешний, ибо направления, в котором следуют друг за другом соответствующие точки в обеих фигурах, одинаковы. Из этого заключаем, что фигуры (A'B'C'...) и (A''B''C''...) также имеют внешний центр подобия и он расположен на одной прямой с центрами S1 и S2.

Центры подобия

Если одни из центров подобия S1 взять внешний, а другой S2 внутренний (чер. 250), то направления соответствующих отрезков таковы: A'B' одинаково с направлением AB, но A''B'' обратно направлению AB, - следовательно, направление A''B'' обратно A'B' и S3 является внутренним центром подобия фигур (A'B'...) и (A''B''...).

Если взять оба центра подобия внутренними (например, S2 и S3 на чер. 250), то легко увидать, что третий центр подобия окажется внешним. Итак, вообще:

Если три фигуры попарно подобно расположены, то три центра подобия расположены на одной прямой, причем или все три они внешние, или два из них внутренних, а один внешний.

257. Отношение периметров и площадей подобных многоугольников.
Пусть имеем два подобных многоугольника ABCDEF и A'B'C'D'E'F' (чер. 251). Назовем коэффициент подобия чрез k.

Отношение периметров и площадей подобных многоугольников

Тогда

A'B'/AB = k, B'C'/BC = k и т. д.,

откуда

A'B' = k · AB, B'C' = k · BC, C'D' = k · CD, …

Сложив эти равенства по частям и вынеся множитель k во второй части за скобку, получим:

A'B' + B'C' + C'D' + … = k(AB + BC + CD + …),

откуда

(A'B' + B'C' + C'D' …) / (AB + BC + CD + …) = k = A'B'/AB,

т. е. отношение периметров подобных треугольников равно отношению сходственных сторон (или равно коэффициенту подобия).

Выберем две соответственных вершины, напр., A и A', и построим проходящие чрез них диагонали. Тогда мы знаем: 1) (из п. 253) ∆ABC ~ ∆A'B'C', ∆ACD ~ ∆A'C'D' и т. д. 2) (из п. 212). Отношение площадей подобных треугольников равно квадрату отношения их сходственных сторон, следовательно,

пл. ∆A'B'C' / пл. ∆ABC = (A'B'/AB)2 = k2; пл. ∆A'C'D' / пл. ∆ACD = (C'D'/CD)2 = k2 и т. д.,

откуда

пл. ∆A'B'C' = k2 · пл. ∆ABC; пл. ∆A'C'D' = k2 · пл. ∆ACD;
пл. ∆A'D'E' = k2 · пл. ∆ADE ...

Сложив эти равенства по частям и вынеся общего множителя k2 во второй части за скобку получим:

пл. ∆A'B'C' + пл. ∆A'C'D' + ∆A'D'E' + … = k2(пл. ∆ABC + пл. ∆ACD + пл. ∆ADE + …),

или

пл. A'B'C'D'E'F' / пл. ABCDEF = k2 = (A'B'/AB)2,

т. е. отношение площадей подобных многоугольников равно квадрату отношения их сходственных сторон (или равно квадрату коэффициента подобия).

258. Два правильных одноименных многоугольника всегда подобны. В самом деле, углы у одноименных многоугольников одинаковы (п. 248), а так как все стороны каждого равны между собою, то, очевидно, отношение любой стороны одного к любой стороне другого есть число постоянное.

Подобность правильных многоугольников

Если в круг впишем какой-либо правильный многоугольник (чер. 252) и чрез середины дуг, стягиваемых его сторонами, построим касательные к кругу, то получим правильный одноименный многоугольник, описанный около этого круга. Не трудно выяснить (предоставляем это желающим), что полученные два правильные многоугольника подобно расположены, и центр круга служит их внешним центром подобия, – внешним потому, что каждая пара соответствующих точек (напр., A и A') расположена в одном направлении от центра (если многоугольник имеет четное число сторон, то центр круга можно считать и внутренним центром подобия, надо лишь считать, что, например, точке A соответствует точка A'').

259. Упражнения.

1. Стороны одного пятиугольника равны соответственно 12, 14, 10, 8 и 16 дм. Найти стороны другого пятиугольника, подобного первому, если его периметр = 80 дм.

2. Сумма площадей двух подобных многоугольников равна 250 кв. дм., а отношение двух сходственных сторон = ¾. Вычислить площадь каждого из них.

3. Показать, что если в круг вписан правильный многоугольник с нечетным числом сторон и в его вершинах построены касательные к кругу, то получится описанный многоугольник, подобно расположенный с вписанным, – центр круга служит их внутренним центром подобия.

4. Дан треугольник; построить другой треугольник, подобно расположенный с первым так, чтобы центр тяжести первого служил внутренним центом подобия и чтобы коэффициент подобия = ½. Выяснить при помощи этого, как расположены точки высот, центр тяжести и центр описанного круга данного треугольника.

5. В данный треугольник вписан квадрат.

Вписанный в треугольник квадрат

Пусть ABC данный треугольник (чер. 253) и DEFK искомый квадрат. Построим еще квадрат MNPQ, чтобы одна сторона MQ лежала на стороне AC треугольника и точка N на стороне AB. Легко видеть, что квадрат MNPQ подобно расположен с искомым квадратом DEFK и внешним их центром подобия является точка A; следовательно, точка F лежит на прямой AP. После нахождения точки F искомый квадрат легко построить.

6. Дан угол и точка внутри его. Найти на одной стороне угла точку, равноудаленную от данной точки и от другой стороны.

Задача решается тем же приемом.

7. Построить треугольник по его высотам.

Легко получить, называя стороны треугольника чрез a, b и c и соответствующие высоты чрез ha, hb и hc, следующую зависимость:

aha = bhb = chc, откуда a : b = hb : ha и b : c = hc : hb = ha : (hbha)/hc

Легко построить отрезок x = (hbha)/hc (x/ha = hb/hc — построение 4-го пропорционального), после чего построим треугольник со сторонами hb, ha и x. Этот треугольник подобен искомому, так как a : h : c = hb : ha : x; остается построить треугольник подобный только что построенному так, чтобы одна его высота была равна данной.