Первый способ. Построим на каждой стороне треугольника во внешнюю сторону дуги, вмещающие угол φ. Покажем, что на дугах BC, CA, AB найдутся такие точки X, Y, Z соответственно, что AZ = AY, BZ = BX, CX = CY. Пусть AC – наибольшая сторона треугольника, AB – наименьшая. Возьмём произвольную точку Z на дуге AB, найдём на дуге BC такую точку X, что BX = BZ, (Х определяется однозначно, так как AB ≤ BC) и построим точку Y, лежащую по разные стороны с В от прямой АС и такую, что AY = AZ, CY = CX. При Z = B имеем AY = AB, CY = CB. Следовательно,
∠AYC = ∠B < φ и Y лежит вне сегмента, построенного на АС (рис. слева).
При
Z = A точка
Yне существует, так как
AC ≥ BC. Следовательно, при некотором промежуточном положении точки
Z, точка
Yпопадает на дугу
АС(рис. справа).
Осталось доказать, что из треугольников
ABC, ABZ, BCX, ACYможно склеить тетраэдр, то есть что хотя бы в одной из вершин
A, B, Cугол треугольника
ABCменьше суммы примыкающих к той же вершине углов двух других треугольников (см. задачу
187108). Если это не так, то
∠
A+ ∠
B+ ∠
C≥ 3π – 3φ > 3π – 2π = π. Противоречие.
Второй способ. Для каждого из отрезков
AB, BC и
CA построим на плоскости множество точек, из которых эти отрезки видны под углом φ – получим шесть дуг. Для
BC пусть это множество ω
a, для
AC – ω
b и для
AB – ω
c. K, L, M – точки пересечения этих множеств (см. рис.). Рассмотрим пересечение трёх областей с
границами из двух дуг (оно непусто, например, ему принадлежит
точка
Ферма-Торичелли, из которой все стороны треугольника видны под
углом
2φ/
3).
Ясно, что
Mлежит в области, ограниченной ω
a, L– ω
b, а
K– ω
c. Множество точек пространства, из которых отрезок
BCвиден под углом φ – поверхность, получающаяся при вращении ω
aотносительно
BC. Обозначим её
Fa. Аналогично получим ещё две поверхности –
Fb, Fc. Пересечением
Faи
Fbбудет некоторая непрерывная кривая, проходящая через
Cи
K, причём
Kлежит внутри тела, ограниченного
Fc, а
C– вне его. Значит, линия пересечения
Faи
Fbбудет также пересекать и
Fc.