Центры тяжести многоугольников и многогранников

Центры тяжести многоугольников.
Ф.Ивлев
Научный руководитель А.А.Заславский
В данной работе исследованы положения центров тяжестей многоугольников и их расположение относительно друг друга.
Рассмотрены случаи треугольника и четырехугольника.
Центром тяжести треугольника принято называть точку M пересечения его медиан. Это
название объясняется тем, что M является центром тяжести трех одинаковых масс,
помещенных в вершины треугольника. Кроме того, M --- центр тяжести сплошного
треугольника, например, вырезанного из картона. Однако, если рассмотреть треугольник,
масса которого сосредоточена в его периметре, например, сделанный из проволоки, то
центром тяжести будет другая точка. Соответственно для произвольного многоугольника
существуют три центра тяжести: M 0 – центр тяжести его вершин, M1 - периметра, M 2 сплошного многоугольника. Цель работы – изучить соотношения между этими точками.
Начнем с изучения центров тяжести треугольника. Как мы уже знаем точки M 0 и M 2
совпадают с точкой пересечения медиан. Найдем точку M1 треугольника ABC.
Утверждение 1. M1 - точка пересечения биссектрис треугольника, образованного
серединами сторон ABC.
Доказательство. Пусть A1 - середина CB, B1 - AC, C1 - AB. AB=c, AC=b, BC=a. Тогда
центры тяжести отрезков AB, AC, CB - C1 , B1 , A1 соответственно. Центр тяжести отрезка
A1B1 лежит в точке L, которая делит отрезок A1B1 в отношении к ba , считая от вершины
B1 . Заметим, что в таком же отношении делит этот отрезок и биссектриса треугольника
A1B1C1 , угла C1 , т. к. C1B1 = a2 , а C1 A1  b2 . Следовательно M1 лежит на отрезке C1L .
Аналогично можно доказать, что M1 лежит и на двух других биссектрисах треугольника
A1B1C1 . Следовательно M1 точка пересечения биссектрис треугольника A1B1C1 .
Утверждение 2. В любом треугольнике M1 , M 0 и центр I вписанной окружности лежат
на одной прямой (прямой Нагеля), причем M 0 делит отрезок M1I в отношении 2:1.
Доказательство. Сделаем гомотетию с центром в точке M 0 и коэффициентом -1/2. Тогда
точки A, B и C перейдут в точки A1 , B1 и C1 соответственно. Т. е. треугольник ABC
перейдет в треугольник A1B1C1 . А центр вписанной окружности треугольника ABC - I
перейдет в центр вписанной окружности треугольника A1B1C1 - M1 соответственно.
Следовательно, точки M1 , I и M 0 лежат на одной прямой и M 0 делит отрезок IM1 в
отношении 2:1.
C
B1
A1
M1 M0
A
C1
I
B
Утверждение 3. M1 – радикальный центр трех вневписанных окружностей треугольника
ABC.
Доказательство. Непосредственно проверяется что биссектриса угла, треугольника
образованного, серединами сторон делит обе общие внутренние касательные
соответственных окружностей пополам.
Утверждение 4. Каждая из прямых, соединяющих M1 с серединами сторон треугольника,
делит его периметр пополам.
Доказательство. Пусть прямая A1M 0 пересекает сторону AB в точке P. Тогда , т. к. A1B1
параллельна AC, то угол A1KB1 равен углу KB1C1 равен углу B1 A1K , т. к. A1K –
биссектриса. Следовательно B1 A1  B1K .Получаем, что A1C  CB1  B1K  b2  a2  2c .
Перейдем теперь к изучению центров тяжести четырехугольника. Найдем сначала точку
M0 .
Сгруппируем A и B , и C и D. Тогда M 0 лежит на отрезке A1C1 ( A1 , B1 , C1 , D1 - середины
AB, BC, CD и DA соответственно) и делит его пополам. Аналогично можно доказать, что
M 0 лежит на отрезке B1D1 и делит его пополам. Так же заметим, что если группировать
массы так: A с C, а B с D, то получим, что M 0 лежит на отрезке, соединяющем середины
диагоналей и делит его пополам.
Найдем точку M 2 .
Разобьем четырехугольник на треугольник ABC и CDA. Тогда M 2 каждого из них это
центр пересечения его медиан. Следовательно, M 2 четырехугольника лежит на отрезке,
соединяющем точки пересечения медиан треугольников ABC и CDA. Аналогично можно
показать, что M 2 лежит на отрезке, соединяющем точки пересечения медиан
треугольников BCD и DAB. Следовательно M 2 - точка пересечения этих отрезков.
Утверждение 5. Точка M 0 лежит на отрезке LM 2 , где L – точка пересечения диагоналей
четырехугольника, и делит его в отношении 3:1.
Доказательство. Пусть M и N середины диагоналей AC и BD соответственно. Тогда
середина MN - M 0 . Заметим, что отрезок с концами в M 0 и K - середине отрезка ML,
1
LN и параллелен ему, т. к. это средняя линия треугольника MNL. Теперь
2
заметим, что, т. к. M 2 лежит на пересечении отрезка соединяющего точки пересечения
медиан пар треугольников ABC-CDA и BCD-DAB, то если взять треугольник,
образованный точками L, M 2 и точкой, делящей LM в отношении 2:1 считая от M, он
1
будет подобен треугольнику LM 0 K с коэффициентом . Следовательно точка M 0 лежит
3
на отрезке LM 2 и делит его в отношении 3:1.
будет равен
C
B
M2
M
M0
N
L
A
D
Найдем точку M1 .
Сначала заметим, что центр масс системы из центров масс пар отрезков AB, BC и CD, DA,
находится на отрезке, соединяющем основания биссектрис пущенных из середины
диагонали AC, треугольников образованных соответственно серединами сторон
треугольников ABC и DBC. А с другой стороны на аналогичном отрезке для
треугольников BCD и DAB.
C
M1
B
A
D
В общем случае точка M1 никакими интересными свойствами, по-видимому, не обладает.
Однако, если в многоугольник можно вписать окружность, то справедливо следующее
утверждение.
Утверждение 6. Если в многоугольник можно вписать окружность с центром I, то M 2
лежит на отрезке IM1 и делит его в отношении 2:1.
Доказательство. Пусть стороны A1 A2 , A2 A3 ,..., An A1 многоугольника равны a1 , a2 ,..., an
соответственно. Тогда M1 это центр масс системы из n точек, являющихся серединами
сторон многоугольника и массами пропорциональными длинам соответствующих
отрезков. А M 2 будет центр масс точек пересечения медиан треугольников
IA1 A2 , IA2 A3 ,..., IAn A1 с массами пропорциональными площадям этих треугольников. Но I –
центр вписанной окружности многоугольника, а, следовательно, высоты проведенные из I
ко всем сторонам многоугольника равны. Следовательно площади всех указанных
треугольников будут пропорциональны длине стороны многоугольника, которую они
содержат. Т. е. система масс M1 сторон многоугольника Ai Ai 1 получена путем гомотетии
системы масс M 2 треугольников IAi Ai 1 с центром в точке I и коэффициентом 32 . Значит и
центр тяжести M1 получен гомотетией центра тяжести M 2 многоугольника откуда и
получаем требуемое.
Наконец, рассмотрим многоугольник, который является описанным и вписанным. По
теореме Понселе можно, зафиксировав описанную и вписанную окружности, вращать
многоугольник между ними. Возникает вопрос, какие кривые описывают при этом центры
тяжести. Есть гипотеза, что эти кривые окружности – окружности. Для точки M0 она
доказана в работе [1].
Докажем гипотезу для треугольника.
Доказательство. Известно, что при вращении треугольника точка пересечения медиан (а
следовательно центр тяжести сплошного треугольника и его вершин) тоже будет
двигаться по окружности. Тогда центр тяжести периметра тоже будет двигаться по
окружности, т. к. точка I неподвижна, а M1 связано с I и M 0 (утверждение 2).
Докажем гипотезу для четырехугольника.
Доказательство. Известно, что при вращении четырехугольника точка пересечения его
диагоналей будет оставаться неподвижной. При этом центр тяжести вершин
четырехугольника будет двигаться по окружности. Из утверждения 5 следует, что и M 2
будет двигаться по окружности, а из этого и утверждения 6 получаем, что M1 также будет
двигаться по окружности.
Литература
1. А.А.Заславский, Г.Р.Челноков. Теорема Понселе в евклидовой и алгебраической
геометрии// Математическое образование. 2001. № 4 (19).