Задача
В тетраэдре $ABCD$ скрещивающиеся рёбра попарно равны. Через середину отрезка $AH_A$, где $H_A$ – точка пересечения высот грани $BCD$, провели прямую $h_A$ перпендикулярно плоскости $BCD$. Аналогичным образом определили точки $H_B$, $H_C$, $H_D$ и построили прямые $h_B$, $h_C$, $h_D$ соответственно для трёх других граней тетраэдра. Докажите, что прямые $h_A$, $h_B$, $h_C$, $h_D$ пересекаются в одной точке.
Решение
Проведём через пару скрещивающихся рёбер тетраэдра
$ABCD$ две параллельные плоскости. Так же поступим для двух других пар
скрещивающихся рёбер и получим параллелепипед. Диагонали его граней
равны между собой, поэтому все грани – прямоугольники, и
параллелепипед прямоугольный. Пусть $O$ – его центр, являющийся
также центром описанной сферы тетраэдра $ABCD$. Пусть также $A'$,
$B'$, $C'$, $D'$ – точки, симметричные $A$, $B$, $C$, $D$
соответственно относительно точки $O$ (см. рисунок). Докажем, что все
построенные прямые проходят через точку $O$.
Пусть $M$ – центр масс треугольника $BCD$. Тогда
$$\overrightarrow{A'M}=\frac13\cdot(\overrightarrow{A'B}+\overrightarrow{A'C}+\overrightarrow{A'D})=\frac13\cdot
\overrightarrow{A'A},$$
то есть точка $M$ лежит на диагонали $AA'$ и
делит её в отношении $2: 1$, считая от вершины $A$. Аналогично центр
масс $N$ треугольника $B'C'D'$ лежит на этой диагонали и делит её в
отношении $1: 2$, считая от вершины $A$. Точка $O$ – середина
отрезка $NM$, поэтому $AO:OM=3: 1$.
Рассмотрим проекцию на плоскость $BCD$: $A''$ – проекция точки $A$,
$O_A$ – проекция центра $O$. Точка $O$ совпадает с центром
описанной сферы тетраэдра $ABCD$, поэтому $O_A$ – центр описанной
окружности треугольника $BCD$.
Тогда прямая $AA'$ проецируется в прямую Эйлера $O_AM$ треугольника
$BCD$. Пусть $O_AM = x$. Тогда $O_A A'' = 3x$ ($O$ делит отрезок $AM$
в отношении $3:1$, это отношение сохраняется при проецировании). Кроме
того, $O_A$, $M$, $H_A$ лежат на одной прямой и $O_AM : MH_A =1: 2$
(прямая Эйлера), отсюда $MH_A=2x$. Следовательно, $O_AA'' = O_AH_A$,
т. е. точка $O_A$ является проекцией середины отрезка $AH_A$ на
плоскость $BCD$. Прямая $OO_A$, перпендикулярная плоскости $BCD$,
делит отрезок $AH_A$ пополам, а значит, совпадает с прямой $h_A$.
Итак, все построенные прямые проходят через точку $O$.
Ответ
Ответ задачи отсутствует
Чтобы оставлять комментарии, войдите или зарегистрируйтесь