ВсОШ 2021, 11 класс, задача 6

Очень сложная
Комбинаторика

В тетраэдре длины всех шести ребер различны. Точка в плоскости симметрична точке относительно серединного перпендикуляра к отрезку . Точка в плоскости и точка в плоскости определяются аналогично. Докажите, что плоскости , , и имеют общую точку.

(А. Кузнецов)

Решение.

Будем обозначать окружность, описанную около треугольника . Обозначим через описанную сферу тетраэдра . Она пересекает плоскость по окружности . Точка лежит на окружности , а потому и на сфере . Рассуждая аналогично, мы получаем, что точки и лежат на сфере . Тогда точки лежат на окружности, по которой сфера пересекает плоскость, проходящую через параллельно плоскости . Не умаляя общности можно считать, что они лежат на окружности именно в таком порядке, то есть четырехугольник - вписанный.

Рис. 5-6

Отметим на луче точку , а на луче - точку так, что и . Тогда , поэтому четырехугольник тоже вписанный. Следовательно, , поэтому . Заметим, что , и .

Таким образом, стороны треугольников и попарно параллельны. Кроме того, они лежат в параллельных плоскостях. Значит, если параллельно перенести треугольник так, чтобы вершина попала в точку , то полученный треугольник будет отличаться от треугольника гомотетией, а сами треугольники и - подобны. При упомянутых выше преобразованиях точка перейдет в точку на окружности , причем , и . А тогда , и точка лежит в плоскости ; аналогично для плоскостей и . А в плоскости она лежит по построению, поэтому эти плоскости имеют общую точку.

Замечание.

После того, как мы доказали, что точки лежат на описанной сфере тетраэдра, можно закончить решение инверсией с центром в точке (с радиусом ). Обозначим через и образы точек и . Образ точки - точка пересечения касательной к окружности в точке с прямой , аналогичное верно для точек и . Несложно проверить, что эти три точки лежат на одной прямой, обозначим ее . Тогда окружности , , и проходят через одну точку - точку Микеля четырехсторонника, образованного прямыми , , и . А это означает, что плоскости , , и проходят через прообраз .

Похожие задачи

ВсОШ 2019, 10 класс, задача 7

В математическом кружке занимаются 24 школьника. Каждую команду, состоящую из 6 школьников, руководитель считает либо сыгранной, либо несыгранной. Для турнира математических боёв руководитель собирается разбить детей на 4 команды по 6 человек. Может ли оказаться, что при любом разбиении школьников н
Очень сложная
Комбинаторика

ВсОШ 2022, 11 класс, задача 4

(20 баллов) Дано натуральное число n>4. На плоскости отмечены n точек, никакие три из которых не лежат на одной прямой. Василий проводит по одному все отрезки, соединяющие пары отмеченных точек. На каждом шаге, проводя очередной отрезок S, Василий помечает его наименьшим натуральным числом, которым
Очень сложная
Комбинаторика

ВсОШ 2025, 11 класс, задача 5

Дано натуральное число n. Натуральные числа 1, 2,..., n выписывают на доске в строчку в некотором порядке. У каждых двух стоящих рядом чисел вычисляют их НОД (наибольший общий делитель) и записывают этот НОД на листке. Какое наибольшее количество различных чисел может быть среди всех n-1 выписанных
Очень сложная
Теория чисел
Комбинаторика

ВсОШ 2021, 11 класс, задача 2

Пусть P(x) - ненулевой многочлен степени n с неотрицательными коэффициентами такой, что функция y=P(x) - нечетная. Может ли оказаться так, что для различных точек A1,A2,ldots,An на графике G: y=P(x) выполняются условия: касательная к графику G в точке A1 п
Очень сложная
Комбинаторика