Курсовая Комплексные числа в планиметрии
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Московский Государственный педагогический Университет
им. В.И.Ленина
Комплексные числа в планиметрии
(Курсовая работа)
Подготовила: студентка III курса
Маематического факультета
Ильичёва Мария В.
Научный руководитель: доцент
Иванов Иван И.
Москва, 2000
Содержание
Введение……………………………………………………………………….3
1. Геометрическая интерпретация комплексных чисел. Длина отрезка…….4
2. Параллельность и перпендикулярность. Коллинеарность трех точек……8
3. Углы и площади. Критерий принадлежности четырех точек одной окружности…………………………………………………………………..14
4. Подобные и равные треугольники. Правильный треугольник…………...18
5. Прямая и окружность на плоскости комплексных чисел…………………22
6. Две прямые. Расстояние от точки до прямой………………………………24
Заключение…………………………………………………………………...30
Список использованной литературы……………………………..………....31
Введение
Большое значение комплексных чисел в математике и ее приложениях широко известно. Особенно часто применяются функции комплексного переменного. Их изучение имеет самостоятельный интерес.Вместе с тем алгебру комплексных чисел можно успешно использовать в элементарной геометрии, тригонометрии, теории геометрических преобразований, а также в электротехнике и различных задачах с механическим и физическим содержанием.
Метод комплексных чисел позволяет решать планиметрические задачи по готовым формулам прямым вычислением, элементарными выкладками. Выбор этих формул с очевидностью диктуется условиями задачии ее требованием. В этом состоит необычайная простота этого метода по сравнению с координатным,векторным и другими методами, требующими от решающего порой немалой сообразительности, длительных поисков, хотя готовое решение может быть очень коротким.
В данной работе излагаются основы метода комплексных чисел в применении к задачам элементарной геометриина плоскости и доказательству некоторых основных планиметрических теорем.
Конечно, одна работа не может вместить все существующие теоремы и задачи. Здесь будут рассмотрены лишь некоторые темы, по каждой из которых будет решен ряд задач, наиболее наглядно показывающих простоту этого метода.
Геометрическая интерпретация комплексных чисел. Длина отрезка
При заданной прямоугольной декартовой системе координат на плоскости комплексному числу z = x+iy (i2= -1) можно взаимно однозначно поставить в соответствие точку М плоскости с координатами х, у (рис.1):
| |
Число z тогда называют комплексной координатой точки М.
Поскольку множество точек евклидовой плоскости находитсяво взаимно однозначном соответствии с множеством комплексных чисел, то эту плоскость называют также плоскостью комплексных чисел. Начало О декартовой системы координат называют при этом начальнойили нулевой точкой плоскости комплексных чисел.
При у=0 число z действительное. Действительные числа изображаются точками оси х, поэтому она называется действительной осью. При х=0 число z
чисто мнимое: z
=
iy
. Мнимые числа изображаются точками оси у, поэтому она называется мнимой осью. Нуль - одновременно действительное и чисто мнимое число.
Paccтoяниe от начала О плоскости до точки М(z) называется модулем комплексного числа z и обозначается |z
| или r:
|z| = r = |OM| =
Если
откуда
Такое представление комплексного числа z называется его тригонометрической формой. Исходное представление z
=
x
+
iy называют алгебраической формой этого числа. При тригонометрическом представлении угол
z
:
Если дано комплексное число z
=
x
+
iy
, то число
Из равенства
Точки с комплексными координатами z и -z симметричны относительно начальной точки О. Точки с комплексными координатами z и
=
=0 и обратно. Поэтому условие z
=
Для любого числа z, очевидно, |z
| = |
z
| = |
Сумма и произведение двух сопряженных комплексных чисел являются действительными числами:
Число, сопряженное с суммой, произведением или же частным комплексных чисел, есть соответственно сумма, произведение или же частное чисел, сопряженных данным комплексным числам:
Эти равенства можно легко проверить, пользуясь формулами для операций над комплексными числами.
Каждой точке М(z
) плоскости - взаимно однозначно соответствует вектор
=
a
-
b соответствует такая точка D
, что
Расстояние между точками А и В равно
|АВ| = |а-
b
|. (1)
Так как |z
|2= z
, то
|
AB
|
2
=(a-b)(
). (2)
Уравнение z
=
r
2 определяет окружность с центром О радиуса r. Отношение
откуда
Если положить
Условия (4) необходимы и достаточны для того, чтобы точки А, В, С были коллинеарны.
При
Тогда:
c =
Пусть имеем параллелограмм ABCD
. Его центр имеет комплексную координату
=
при условии, что точки А, В, С, D имеют соответственно комплексные координаты а, b
, с,
d
. Если не исключать случай вырождения параллелограмма, когда все его вершины оказываются на одной прямой, то равенство
a+c = b+d (5)
является необходимым и достаточным условием того, чтобы четырехугольник ABCD был параллелограммом.
Задача 1. Точки М и N — середины диагоналей АС и BD четырехугольника ABCD. (Рис.1)
Доказать, что |AB|2+|BC|2+|CD|2+|DA|2 = |AC|2+|BD|2+4|MN
|2.
Решение. Пусть точкам A, В, С, D, М, N соответствуют комплексные числа а, b
, с, d, т, п.
Так как m =
|AB|2+|BC|2+|CD|2+|DA|2
|AC|2+|BD|2+4|MN|2
Равенство доказано.
Задача 2. Доказать, что если в плоскости параллелограмма ABCD существует такая точка М, что |MA|2+|MC|2=|MB|2+|MD|2, тo ABCD
- прямоугольник. (Рис.2)
Решение. Если за начальную точку принять центр параллелограмма ABCD, то при принятых ранее обозначениях с= -a
,
d
= -
b
, и поэтому данное в условии равенство будет эквивалентно равенству
, которое означает, что диагонали параллелограмма равны, т. е. он прямоугольник.
Задача 3. Доказать, что сумма квадратов диагоналей AC, BD четырехугольника ABCD равна удвоенной сумме квадратов отрезков MN
,
PQ
, соединяющих середины противоположных сторон . (Рис.3)
C
B B C
Рис. 1 Рис. 2
Решение. Требуется доказать:
Запишем левую часть равенства в комплексной форме:
B
M
N
A
Q D
Рис. 3
Задача 4. Доказать, что сумма квадратов медиан BM
,
AN
,
CP треугольника ABC равна
Задача 5. Доказать, что расстояние от вершины С треугольника АВС до точки D, симметричной центру описанной окружности относительно прямой АВ, вычисляется по формуле |CD|2=R2+|AC|2+|BC|2-|AB|2, где R
-радиус описанной окружности. (Рис.5)
Решение. Точка M является серединой АВ, так как центр описанной окружности лежит на пересечении серединных перпендикуляров.
Точка М - середина ОD (по условию).
Тогда,
|
C
A M C
Рис. 4 Рис. 5
Параллельность и перпендикулярность. Коллинеарность трех точек
ОПР:
Пусть на плоскости комплексных чисел даны точки А(а) и B(b). Векторы
a
=
arg
b, т. е. при arg
а -
arg
b
=
arg
=0 (при вычитании комплексных чисел, из аргумента делимого вычитается аргумент делителя!).
Очевидно также, что эти векторы направлены противоположно в том и только в том случае, если arg a - arg b=arg
.
Комплексные числа с аргументами 0,
) были коллинеарны с начальной точкой О, необходимо и достаточно, чтобы частное
Действительно, так как в этом случае число
=
), то критерий (6) эквивалентен такому:
Возьмем теперь точки A(а), B(b), C(c), D(d).
ОПР: Векторы
Замечание:
1. На основании (6) имеем:
2. Если точки А, В, С, D принадлежат единичной окружности
3. Коллинеарность точек A
, В, С характеризуется коллинеарностью векторов
Это критерий принадлежности точек A
,
B
, С одной прямой. Его можно представить в симметричном виде
Если точки A и B принадлежат единичной окружности
) в такое:
Точки А и В фиксируем, а точку С будем считать переменной, переобозначив ее координату через z. Тогда каждое из полученных соотношений (10), (11), (12) будет уравнением прямой АВ:
, (10а)
. (12a)
В частности, прямая ОА имеет уравнение
Переходим к выводу критериев перпендикулярности отрезков. Ясно, что
Комплексные числа с аргументами
Поэтому,
или
Отрезки АВ и CD перпендикулярны тогда и только тогда, когда векторы точек с комплексными координатами а—b и с—d перпендикулярны. В силу (13) имеем:
В частности, когда точки А, В, С, D принадлежат единичной окружности
Выведем уравнение касательной к единичной окружности
P
(р). Если М (z) — произвольная точка этой касательной, то
и обратно. На основании (14) имеем:
или
Поскольку
Это частный случай уравнения (12a) при а=b
=р. Решим еще две вспомогательные задачи, необходимые для решения содержательных геометрических задач.
Задача 1. Найти координату точки пересечения секущих АВ и CD
единичной окружности
, с,
d
.
Пользуясь уравнением (12а), получаем систему
из которой почленным вычитанием находим:
В том частном случае, когда хорды АВ и CD перпендикулярны, в силу (15) ab
=-
cd
, и поэтому результат (17) приводится к виду
откуда
В этом случае точка пересечения определяется только тремя точками A, В, С, так как
, и, значит,
3адача 2. Найти комплексную координату точки пересечения касательных в точках A
(а) и B(b) единичной окружности
из которой находим:
Поскольку
или
Покажем теперь метод комплексных чисел в действии, применяя его к доказательству классических теорем элементарной геометрии.
Теорема Ньютона
. В описанном около окружности четырехугольнике середины диагоналей коллинеарны, с центром окружности.
Доказательство. Примем центр окружности за начало, полагая ее радиус равным единице. Обозначим точки касания сторон данного четырехугольника AoBoCoDo через А, В, С, D (в круговом порядке) (рис.4). Пусть М и N — середины диагоналей АoСo и BoDo соответственно. Тогда согласно (20) точки Аo, Вo, Сo, Do будут иметь соответственно комплексные координаты:
где a, b, c, d – комплексные координаты точек A, B, C, D.
Поэтому
Вычисляем
Теорема Гаусса. Если прямая пересекает прямые, содержащие стороны ВС, СА, АВ треугольника АВС соответственно в точках А1, B1, C1, то середины отрезков АА1, ВВ1, СС1 коллинеарны (рис.5).
Доказательство. Используя (11), запишем условия коллинеарности троек точек АВ1С, СА1В, ВС1А, A1B1C1:
Если М, N
,
P
— середины отрезков AA
1
,
BB
1
,
CC
1
, то предстоит показать, что
Так как
или после перемножения:
Теперь легко видеть то, что (23) получается почленным сложением равенств (21). Доказательство закончено.
Теорема Паскаля
. Точки пересечения прямых, содержащих противоположные стороны вписанного шестиугольника, лежат на одной прямой.
Доказательство. Пусть в окружность вписан шестиугольник ABCDEF и
Вычисляем
и аналогично
Далее находим:
| |
Поскольку числа
, Р.
Teope
м
a
M
онжа
. Во вписанном в окружность четырехугольнике прямые, проходящие через середины сторон и. каждой диагонали перпендикулярно противоположным сторонам и соответственно другой диагонали, пересекаются в одной точке. Она называется точкой Монжа вписанного четырехугольника.
Доказательство. Серединные перпендикуляры к сторонам четырёхугольника ABCD пересекаются в центре описанной окружности, который примем за начальную точку. Для каждой точки М(z
) серединного перпендикуляра к [AB] число
В частности, при z=0 оно равно
(
z
) прямой, проходящей через середину стороны CD перпендикулярно (AB), число
Решим ещё несколько основных планиметрических задач.
3адача 3. Доказать, что диагонали четырехугольника ABCD, вписанного в окружность, перпендикулярны тогда и только тогда, когда сумма квадратов двух его противоположных сторон равна сумме квадратов двух других противоположных сторон.
Решение. Требуется доказать:
Запишем
,
B
,
C
,
D
принадлежат окружности
3адача 4. Доказать, что если средние линии MP
,
NQ четырехугольника ABCD равны, то его диагонали AC
и BD перпендикулярны и обратно.
Решение. Требуется доказать:
(a)
Углы и площади. Критерий принадлежности четырех точек одной окружности
Условимся обозначать символом
с вектором
Эта формула в применении к положительно ориентированному треугольнику АВС дает:
Если z=r(
Тогда
Итак,
Аналогично находим:
Выведем формулу для площади S положительно ориентированного треугольника АВС:
или
что можно записать в виде определителя третьего порядка:
Если треугольник АВС вписан в окружность
Для площади S положительно ориентированного четырехугольника ABCD имеем:
Если четырехугольник ABCD вписан в окружность zz==l, то (32) принимает вид:
Три произвольно взятые точки всегда принадлежат либо одной окружности, либо одной прямой. Критерии принадлежности трех точек одной прямой рассмотрены выше.
Докажем КРИТЕРИЙ принадлежности четырех точек одной окружности или прямой.
Возьмем четыре произвольные точки A
, В, С,
D соответственно с комплексными координатами а, b,c,d. Комплексное число
(34)
называется двойным отношением точек A, В, С, D и обозначается (AB, CD). Порядок точек существен.
Теорема. Для того чтобы, четыре точки лежали на одной прямой или на одной окружности, необходимо и достаточно, чтобы их двойное отношение было действительным числом.
Доказательство. Если точки А, В, С, D коллинеарны, то отношения
1) точки С и D находятся в одной полуплоскости от прямой АВ;
2) точки С и D находятся в различных полуплоскостях от прямой АВ.
В первом случае ориентированные углы ВСА и BDA равны, во втором случае
то
Обратно: если двойное отношение четырех точек действительно, то эти точки или коллинеарны, или принадлежат одной окружности. В самом деле, тогда если
Следовательно, либо
=
BDA
, либо
А=±
ADB
=±
Задача 1. В окружности проведены три параллельные хорды
Решение. Принимая окружность за единичную, отнесем точкам А, В, С, A
1
,
B
1
,
C
1 комплексные числа
Первое равенство эквивалентно такому:
Или
т. е. эта дробь должна быть числом действительным. А это имеет место, поскольку сопряженное ей число
равно этой же дроби. Аналогично доказывается и второе равенство углов.
Задача 2. На плоскости даны четыре окружности
окружности или прямой (рис.9).
Решение. Согласно теореме этого параграфа и условию задачи будут действительрыми двойные отношения:
Поэтому будет действительным и число
Следовательно, из вещественности двойного отношения
Подобные и равные треугольники. Правильный треугольник
ОПР: Треугольники АВС и
(углы ориентированные).
Эти равенства с помощью комплексных чисел можно записать так:
Два равенства
где
Если, в частности,
Соотношение (35) — необходимый н достаточный признак того, что треугольники АВС и
или
ОПР. Треугольники АВС и
Два равенства
эквивалентны одному
или
где
Соотношение (38) есть необходимый и достаточный признак того, что треугольники АВС и
или же так:
Если
Тогда соотношения (35) и (38) становятся признаками равенства треугольников соответственно одинаковой и противоположной ориентации.
Рассмотренные признаки подобия треугольников позволяют обосновать простой способ построение произведения и частного двух комплексных чисел. Пусть даны точки
=
ab
. Тогда, очевидно,
Обратно: если даны точки М и А соответственно с координатами ab и a, то точка В, соответствующая частному этих чисел строится на основании тех, же подобных треугольников.
Следует обратить внимание на один важный частный случай. Если |а|=1, то точка М будет образом точки В при повороте около нулевой точки на угол
, то треугольник АВС необходимо будет правильным. Поэтому из условия (36) получаем необходимое и достаточное условие того, чтобы треугольник АВС был правильным
или
Введем в употребление комплексное число
или после умножения первого трехчлена на
Итак, для того чтобы треугольник АВС был правильным, необходимо и достаточно выполнения хотя бы одного из равенств:
или же
Оказывается, первое из этих равенств соответствует только тому случаю, когда треугольник АВС ориентирован положительно, а второе выполняется лишь при отрицательной его ориентации. В самом деле, так как умножению на
Аналогично проверяется выполнение равенства (45) для отрицательно ориентированного правильного треугольника АВС. Очевидно, одновременно равенства (44) и (45) выполняться не могут.
Если правильный треугольник АВС вписан в окружность
Задача 1. Доказать, что треугольник
Решение. Принимаем описанную окружность за единичную
Проверяем выполнимость признака (35):
причем
3
адача 2. Два равных одинаково ориентированных треугольника АВС и
Решение. Придадим окружности уравнение
Осталось проверить условие (17):
3
адача 3. Доказать, что середины отрезков, соединяющих соответственные вершины двух равных и противоположно ориентированных треугольников, коллинеарны.
Решение. Для доказательства данной задачи воспользуемся:
1) Формулой (38),- необходимое и достаточное условие равенства двух противоположно ориентированных треугольников ABC и
2) Формулой (4а) для точек M
,
N
,
P:
3) Формулой (11),- коллинеарности точек M
,
N
,
P:
Теперь простой проверкой убеждаемся в том, что из 1)
ПРЯМАЯ И ОКРУЖНОСТЬ НА ПЛОСКОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ
Пусть произвольной точке М плоскости комплексных чисел соответствует комплексное число
Поэтому комплексные числа z и
Формулы (1) позволяют осуществить переход от уравнения геометрической фигуры в декартовых координатах к ее уравнению в сопряженных комплексных координатах. Однако сейчас мы предпочли непосредственное рассмотрение уравнений в сопряженных комплексных координатах.
Геометрический смысл уравнения
Найдем множество точек плоскости, сопряженные комплексные координаты которых удовлетворяют уравнению
Сначала выделим особый случай, когда с=0. Тогда имеем систему относительно
второе уравнение которой получается из первого переходом к сопряженным числам. Уравнивая коэффициенты при
Если
| |
задается прямая при
Пусть теперь
из которой получаем:
Если
При
При
Если
) и рассмотрим множество точек М(z), для каждой из которых (MQ
)
OB
):
Очевидно, это множество есть прямая. При
Таким образом, при
Наконец, отметим случай, когда
приводит к противоречию:
Подведем итоги. Уравнением
1) прямая при |а|=|b
|, с=0, а также при
2) единственная точка при
3) пустое множество в иных случаях, т. е. при |a
| = |
b
|,
Достигнув поставленной цели, возвратимся снова к системе:
не налагая ограничений на коэффициенты а, b
, с, кроме того, что a и b
не равны нулю одновременно. Уравнивая коэффициенты при
а) имеет единственное решение при
б) имеет бесконечное множество решений при
в) не имеет решений при
Отсюда и на основании результата предыдущих исследований получаем, что уравнение
а) единственную точку при
б) прямую при
в) пустое множество при
Уравнение
(5)
прямой в сопряженных комплексных координатах будем называть приведенным уравнением прямой.
Две прямые. Расстояние от точки до прямой
Пусть прямая т задана приведенным уравнением
:
| |
Положительно ориентированный угол
Формулы (6) и (7) позволяют находить соответствующие углы с точностью до слагаемого
Из формулы (7) вытекает критерий перпендикулярности и критерий параллельности прямых
При
Если прямая
В силу условия (8) перпендикулярности для прямой, перпендикулярной данной, коэффициентами при, z и
прямой, проходящей через точку
дает координату
основания M
1 перпендикуляра, опущенного из точки
Так как расстояние d от точки M0 этой прямой равно
Геометрический смысл, уравнения
Из формулы расстояния между двумя точками получается уравнение окружности по ее центру S
(
s
) и радиусу R :
Пусть дано уравнение
, (15)
в котором на комплексные коэффициенты а, b
, с не накладывается заранее никаких условий. Требуется найти множество точек, координаты которых ему удовлетворяют. С этой целью удобно представить его в эквивалентном виде:
Рассмотрим все возможные случаи для коэффициентов а, b
, с.
1. Сравнивая уравнение (16) с уравнением (14) окружности, приходим к выводу, что уравнение (16), а значит, и уравнение (15) задают окружность тогда и только тогда, когда
—
с - действительное число. Так как в этом случае
Итак, уравнение
(17)
есть уравнение окружности с центром s
=-
b и радиусом
2. При
=-
b
. В частности, этот случай имеет место при а=b
=с=0. Соблюдая аналогию, говорят, что уравнением
=-
b
нулевого радиуса.
3. Если
Уравнению (18) не удовлетворяет ни одна точка плоскости, поскольку левая часть неотрицательна, а правая отрицательна при любом значении z
. Говорят, что это уравнение есть уравнение окружности мнимого радиуса iR
с действительным центром S, имеющим комплексную координату s
=-
b
.
4. Когда
5. Осталось рассмотреть случай, когда
, получающееся из (15) переходом к сопряженным комплексным числам. Получаем:
откуда
Выполняя эту подстановку в уравнение (15), приводим его к виду
При
квадратного уравнения (19), оно будет определять две различные (действительные!) или две совпавшие точки. При D
=0 совпавшие точки имеют комплексную координату
В частности, при c
=
ab как уравнение (16), так и уравнение (19) дает пару точек z
1
=-
b и
Итак, уравнением (15) задается либо окружность (действительная, мни мая, нулевого радиуса), либо две точки (различные или же совпавшие), либо пустое множество точек.
Рассмотрим одну замечательную пару окружностей.
Две пересекающиеся окружности называются ортогональными, если касательные к ним в их общей точке перпендикулярны. Тогда, очевидно, касательная к одной из ортогональных окружностей в их общей точке содержит центр другой окружности.
Для того чтобы окружности (A
,
R
) и (В, r
) были ортогональны, необходимо и достаточно, чтобы |AB|2=R2+r2 , или
Если окружности заданы уравнениями
и
то
Решение задач
Задача 1. Хорды АВ и PQ окружности пересекаются в точке С. Найти множество точек М пересечения прямых АР и BQ
, если точки А, В, С постоянны, а точки Р и Q пробегают данную окружность (рис.3).
Решение. Пусть z
- комплексная координата произвольной точки М искомого множества и данная окружность принята за единичную
. В силу зависимости координат точек, принадлежащих секущей к окружности (см. предыдущую статью), имеем:
откуда
. Подставляя эти выражения во второе равенство, получаем:
,
или
Привлекая
, полученному уравнению придадим вид
.
Теперь ясно, что искомое множество точек представляет собой пару прямых, одной из которых является прямая АВ, а другая имеет уравнение
(22)
в приведенной форме. Как видим, эта прямая не зависит от хорды АВ, а определяется лишь окружностью и точкой С. Она называется полярой точки С относительно окружности.
Задача 2. Около окружности описан квадрат ABCD
. Точки
- ортогональные проекции его вершин A
, В, С,
D соответственно на произвольную касательную к окружности. Доказать, что
.
Решение. Радиус окружности примем за единицу длины. Систему координат выберем так, чтобы точки касания сторон АВ, ВС, CD
,
DA с окружностью имели координаты
. Тогда вершины А, В, С, D будут иметь координаты 
Касательная к окружности в ее произвольной точке Р (р) имеет уравнение 
в приведенной форме. Руководствуясь формулой (13), находим:
Аналогично получаем:
Равенство доказано.
Задача 3. Вершины A и В прямоугольного равнобедренного треугольника АВС спроектированы параллельно некоторой прямой l на прямую, проходящую через вершину С прямого угла, соответственно в точки
и 
. Доказать, что сумма 
зависит только от угла 
между осью проекций и прямой l (при заданном треугольнике АВС).
Решение. Примем ось проекций за действительную ось х и вершину С за начало О. Прямую l проведем через О и зададим принадлежащей ей точкой Р(р), |p
|=1. Ее уравнение имеет вид
. Если вершина A имеет координату а, |а|=1, то вершине В соответствует число ai (рис.4).
Прямые АА1 и BB
1 получают уравнения
и 
. Для точек, лежащих на оси х проекций,
. Подстановкой в предыдущие уравнения получаем координаты точек А1 и В1:
.
Находим:
,
где
- указанный в условии задачи угол.
Задача 4. На окружности
взяты четыре произвольные точки А, В, С, D
. Окружности
соответственно с центрами A
, В, С и проходящие через точку D пересекаются вторично попарно в точках
(рис.5). Доказать, что точки коллинеарны.
Решение. Пусть окружность является единичной и точка D имеет координату d
=
l
. Используя уравнение (14) и тот факт, что окружность
имеет центр A
(а) и содержит точку D
(1), получаем ее уравнение
, или 
. Аналогично окружности 
и 
будут иметь уравнения
и 
.
Решая систему уравнений окружностей и , находим координату второй общей точки М3 этих окружностей: m
3
=
a
+
b
-
ab
.
Аналогично m
2
=
c
+
a
-
ca
,
m
1
=
b
+
c
-
bc
.
Отсюда находим:
.
Это число сопряжено самому себе, и потому точки коллинеарны.
Задача 5. Найти множество центров окружностей, проходящих через данную точку М (т) ортогонально данной окружности
.
Решение. Если окружность
обладает заданным свойством, то
Исключая
получаем уравнение относительно 
:
.
Им определяется прямая с нормальным вектором
, который равен вектору 
, где 
- центр данной окружности. Следовательно, эта прямая перпендикулярна прямой AM (рис.6).
Заключение
Многие задачи элементарной геометрии можно изящно и просто решать при помощи комплексных чисел. Однако, значение комплексных чисел заключается не только в изяществе и краткости решения задач посредством этих чисел, хотя и это весьма существенно. Не менее важно и то, что в результате применения комплексных чисел при решении задач не редко обнаруживаются новые детали, удается сделать интересные обобщения и внести уточнения, которые подсказываются анализом полученных формул и соотношений.
Конечно, данная работа не может вместить в себя все теоремы и задачи, к тому же многие из них еще не сформулированы. Здесь рассмотрены лишь некоторые темы, по каждой из которых были представлены задачи и их решения.
Хочется отметить и то, что излагаемая тема в этой работе еще мало изучена вообще, просто ею не занимаются, поэтому она таит в себе много скрытого и неизвестного, что дает прекрасную возможность для дальнейшей работы над ней.
Здесь мы остановились на вопросе применения комплексных чисел к решению планиметрических задач, а что, если комплексные числа применять к решению стереометрических задач?! Опять находить красивые закономерности, какие-то факты, уточнения, делать обобщения, открывать все новое и новое. Но это вопросы уже следующих работ.
Подводя итоги, можно сделать вывод: метод комплексных чисел в применении к решению задач по элементарной геометрии можно давать не только студентам высших учебных заведений, но и старшим школьникам на факультативных занятиях. Так как этот метод прост в применении, использует аппарат комплексных чисел, что, безусловно, должно заинтересовать увлекающихся математикой учеников. Дает возможность посмотреть на задачи по геометрии с другой стороны, приучить к тому, что все наглядные задачи (правильность которых видна из чертежа) можно решать аналитическим способом, вообще не прибегая к чертежу.
Список использованной литературы
1. З. А. Скопец “Геометрические миниатюры”.- М.: Просвещение, 1990
2. Л. И. Волковский “Сборник задач по теории функций комплексных переменных”.- М.: Просвещение, 1985
3. И. И. Привалов “Введение в теорию функции комплексного переменного”.- М.: Просвещение, 1988
- комплексная координата произвольной точки М искомого множества и данная окружность принята за единичную
откуда
или
Привлекая
Теперь ясно, что искомое множество точек представляет собой пару прямых, одной из которых является прямая АВ, а другая имеет уравнение
в приведенной форме. Как видим, эта прямая не зависит от хорды АВ, а определяется лишь окружностью и точкой С. Она называется полярой точки С относительно окружности
Задача 2. Около окружности описан квадрат ABCD
. Точки
, В, С,
D соответственно на произвольную касательную к окружности. Доказать, что
Решение. Радиус окружности примем за единицу длины. Систему координат выберем так, чтобы точки касания сторон АВ, ВС, CD
,
DA с окружностью имели координаты
Аналогично получаем:
Равенство доказано.
Задача 3. Вершины A и В прямоугольного равнобедренного треугольника АВС спроектированы параллельно некоторой прямой l на прямую, проходящую через вершину С прямого угла, соответственно в точки
Решение. Примем ось проекций за действительную ось х и вершину С за начало О. Прямую l проведем через О и зададим принадлежащей ей точкой Р(р), |p
|=1. Ее уравнение имеет вид
Прямые АА1 и BB
1 получают уравнения
Находим:
где
Задача 4. На окружности
. Окружности
, В, С и проходящие через точку D пересекаются вторично попарно в точках
Решение. Пусть окружность
=
l
. Используя уравнение (14) и тот факт, что окружность
(а) и содержит точку D
(1), получаем ее уравнение
Решая систему уравнений окружностей
3
=
a
+
b
-
ab
.
Аналогично m
2
=
c
+
a
-
ca
,
m
1
=
b
+
c
-
bc
.
Отсюда находим:
Это число сопряжено самому себе, и потому точки
Задача 5. Найти множество центров окружностей, проходящих через данную точку М (т) ортогонально данной окружности
Решение. Если окружность
Исключая
Им определяется прямая с нормальным вектором
Заключение
Многие задачи элементарной геометрии можно изящно и просто решать при помощи комплексных чисел. Однако, значение комплексных чисел заключается не только в изяществе и краткости решения задач посредством этих чисел, хотя и это весьма существенно. Не менее важно и то, что в результате применения комплексных чисел при решении задач не редко обнаруживаются новые детали, удается сделать интересные обобщения и внести уточнения, которые подсказываются анализом полученных формул и соотношений.
Конечно, данная работа не может вместить в себя все теоремы и задачи, к тому же многие из них еще не сформулированы. Здесь рассмотрены лишь некоторые темы, по каждой из которых были представлены задачи и их решения.
Хочется отметить и то, что излагаемая тема в этой работе еще мало изучена вообще, просто ею не занимаются, поэтому она таит в себе много скрытого и неизвестного, что дает прекрасную возможность для дальнейшей работы над ней.
Здесь мы остановились на вопросе применения комплексных чисел к решению планиметрических задач, а что, если комплексные числа применять к решению стереометрических задач?! Опять находить красивые закономерности, какие-то факты, уточнения, делать обобщения, открывать все новое и новое. Но это вопросы уже следующих работ.
Подводя итоги, можно сделать вывод: метод комплексных чисел в применении к решению задач по элементарной геометрии можно давать не только студентам высших учебных заведений, но и старшим школьникам на факультативных занятиях. Так как этот метод прост в применении, использует аппарат комплексных чисел, что, безусловно, должно заинтересовать увлекающихся математикой учеников. Дает возможность посмотреть на задачи по геометрии с другой стороны, приучить к тому, что все наглядные задачи (правильность которых видна из чертежа) можно решать аналитическим способом, вообще не прибегая к чертежу.
Список использованной литературы
1. З. А. Скопец “Геометрические миниатюры”.- М.: Просвещение, 1990
2. Л. И. Волковский “Сборник задач по теории функций комплексных переменных”.- М.: Просвещение, 1985
3. И. И. Привалов “Введение в теорию функции комплексного переменного”.- М.: Просвещение, 1988
