Теореми Чеви та Менелая можна назвати “двоїстими” теоремами: вони схоже формулюються й доводяться, вони взаємозамінюються при розв’язанні задач. Теореми Чеви та Менелая корисні у випадках, коли необхідно “з’ясувати відношення” між точками та прямими, – наприклад, довести, що будь-які три прямі перетинаються в одній точці, три точки лежать на одній прямій та ін.

Теореми Чеви та Менелая не входять в основний курс шкільної геометрії, між тим вони прості, цікаві й застосовуються при розв’язанні досить складних задач.

Дипломна робота присвячена розробці методики викладання теми “Теореми Чеви та Менелая та їх застосування”.

Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків та списку використаної літератури. Кожен розділ побудовано за такою структурою. На початку розділу наводиться необхідний теоретичний матеріал, потім викладено задачі з докладним розв’язанням, а наприкінці наведено задачі для самостійної роботи з розв’язанням та відповідями.

В першому розділі роботи “Теорема Менелая для трикутника” сформульовано й доведено теорему Менелая для трикутника, наведено нетривіальні приклади використання теореми Менелая (доведено теореми Дезарга, Паппа, Паскаля, Гаусса), продемонстровано ефективність використання теореми на приклади розв’язання задач двома способами: традиційним і за допомогою теореми Менелая.

В другому розділі “Теорема Менелая для тетраедра” сформульовано й доведено аналог теореми Менелая в просторі, наведено приклади розв’язання складних стереометричних задач.

В третьому розділі “Теореми Чеви для трикутника та тетраедра. Теорема Чеви в формі синусів” сформульовані теореми Чеви та наслідки з них, наведено розв’язані задачі.

В четвертому розділі “Теореми Чеви та Менелая для площини” наведено інший підхід до формулювання теорем Чеви та Менелая.

Всього в роботі розв’язано 50 задач.

Дипломна робота може бути використана викладачами ліцеїв та гімназій при викладанні спеціальних курсів, а також при підготовці учнів до олімпіад з математики.

РОЗДІЛ 1

ТЕОРЕМА МЕНЕЛАЯ ДЛЯ ТРИКУТНИК А

1.1 Орієнтовані відрізки

Нехай на прямій задані відрізки та . Розглянемо вектори та (див. рис. 1). Зі шкільного курсу геометрії відомо, що існує таке число , що . Якщо , то вектори називають однаково спрямованими , а якщо , то говорять , що вектори протилежно спрямовані (див. рис. 1.1а та 1.1б відповідно).

а) б)

Рис. 1.1

При цьому відрізки та ми будемо називати однаково спрямованими, якщо і протилежно спрямованими, якщо . Саме число будемо називати відношенням орієнтованих відрізків (при це відношення є просто відношенням довжин відрізків, а при – відношенням довжин, взяте зі знаком мінус).

В подальшому всі відношення виду будемо розуміти як відношення орієнтованих відрізків.

Якщо відрізки і лежать не на одній прямій, а на паралельних прямих, то також можна говорити про однаково і протилежно орієнтовані відрізки і їхні відношення (див. рис. 1.2).

Рис. 1.2

?????????, ????? ? ? ????? ???????, ? ? ? ??????????????, ??????? ? ??? ????? ?? ????? ????? (???. ???. 1.3).

Рис. 1.3

Тоді, якщо точки і лежать по одну сторону від прямої , то відрізки й орієнтовані однаково (див. рис. 1.3а), а якщо по різні сторони – протилежно (див. рис. 1.3б), при цьому в обох випадках .

Зазначемо такі важливі властивості відношень:

1) 2) .

Нехай тепер на прямій задана ще третя точка – . На рисунку 1.4 показано, якими можуть бути відношення в залежності від положення точки на прямій . Так, якщо лежить на відрізку , то ; якщо точка лежить ліворуч від точки , то ; якщо точка лежить праворуч від точки , то .

Отже, задаючи відношення орієнтованих відрізків ми однозначно визначаємо положення точки на прямій .

Рис. 1.4

Зауваження. Точки , для якої , не має на прямій (можна приєднати до прямої нескінчено удалену точку і вважати, що саме для неї ). Слід зазначити, що просте відношення довжин відрізків неоднозначно задає точку на прямій – таких точок, як правило, дві (за виключенням середини відрізка , для якої ).

1.2 Теорема Менелая

Теорема Менелая дійшла до нас в арабському перекладі книги «Сферика» грецького математика та астронома Менелая Олександрійського (І-ІІ століття нашої ери). Теорема Менелая дозволяє в деяких випадках знаходити відношення відрізків, а також доводити належність трьох точок одній прямій.

Теорема Менелая. Нехай задано трикутник і три точки на прямих і відповідно. Точки лежать на одній прямій тоді і тільки тоді, коли

(1.1)