Через вершины треугольника ABC проведены три параллельные прямые a, b, c соответственно, не параллельные сторонам треугольника. Пусть A0, B0, C0 — середины сторон BC, CA, AB. Пусть A1, B1, C1 — точки пересечения пар прямых a и B0C0, b и C0A0, c и A0B0 соответственно. Докажите, что прямые A0A1, B0B1 и C0C1 пересекаются в одной точке.
Приведём тригонометрическое решение. Достаточно доказать, что
Тогда по теореме Чевы прямые A0A1, B0B1, C0C1 пересекаются в одной точке.
Пусть без ограничения общности прямая a пересекает внутренность треугольника ABC. Обозначим углы треугольника через α, β, γ, а угол B0AA1 через φ. Тогда углы AC0A1 и AB0A1 равны β и γ соответственно.
Применяя теорему синусов к треугольникам AB0A1 и AC0A1, получаем
Аналогично, пользуясь равенством вертикальных углов, получаем
Аналогично
Рис. 2: Пример чертежа, если прямая a проходит внутри треугольника ABC.
Поскольку α + β − φ = π − (γ + φ), при перемножении трёх выписанных равенств все члены сократятся и мы получим 1.
Теперь перепишем то же решение в терминах проективной геометрии. Простым отношением трёх точек P, Q, R на одной прямой назовем такое число x, что Обозначим
Достаточно доказать, что
Тогда по теореме Чевы прямые A0A1, B0B1 и C0C1 пересекаются в одной точке.
Двойным отношением прямых p, q, r, s назовем число где знак плюс берётся, если r и s расположены в одной паре вертикальных углов относительно p и q, а знак минус — иначе.
Проведём через вершины треугольника A, B, C прямые p, q, r, параллельные противоположным сторонам a', b', c' треугольника ABC. Тогда, как известно, равно двойному отношению прямых (a, p; c', b'). Аналогично и равны двойным отношениям (b, q; a', c') и (c, r; b', a'). Но из параллельности
Остаётся доказать, что
Здесь участвуют двойные отношения одной и той же четвёрки прямых, но взятых в разных порядках. Обозначим Известно, что при перестановке прямых c' и b' двойное отношение x заменяется на а при перестановке прямых a' и b' — на 1 − x. Значит, и Получаем
что и требовалось.