مقالة في الهندسة

نقطة لوموان ودائرتا لوموان

ماذا يحدث للمتوسّطات إذا عكسناها في المرآة؟

نأخذ متوسّطًا في المثلث ونعكسه حول منصّف الزاوية الخارج من الرأس نفسه. نحصل على قطعة جديدة: «المتوسّط المنعكس» أو السيميديان. السيميديانات الثلاثة تلتقي هي أيضًا في نقطة واحدة — نقطة لوموان — ولهذه النقطة خصائص تفوق في جمالها خصائص مركز الثقل نفسه: أبعادها عن الأضلاع تتناسب مع الأضلاع، والموازيات للأضلاع المارّة بها تقطع الأضلاع في ستّ نقاط على دائرة واحدة.

المتوسّط \(AM\) والمنصّف \(AT\) يخرجان من الرأس نفسه، وفي المثلث غير المتساوي الساقين يختلفان. «انعكاس» المتوسّط حول المنصّف هو المستقيم الذي يصنع مع الضلع \(AC\) الزاوية نفسها التي يصنعها المتوسّط مع الضلع \(AB\). نسمّي القطعة الناتجة من \(A\) حتى \(BC\) السيميديان من \(A\) (من الكلمتين «متناظر» و«متوسّط»)، ونرمز إلى نقطة تقاطعها مع \(BC\) بـ \(L\).

المتوسّط \(AM\) (متقطّع)، المنصّف \(AT\) (رماديّ)، والسيميديان \(AL\). الزاويتان المعلّمتان \(\varphi\) متساويتان: المتوسّط والسيميديان متناظران بالنسبة للمنصّف.

سنستعمل الرموز: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\)، \(S\) مساحة المثلث، و\(d_a,d_b,d_c\) أبعاد نقطة عن المستقيمات \(BC,\ CA,\ AB\).

المبرهنة

السيميديانات ونقطة لوموان

(1) السيميديان من \(A\) يقسم الضلع \(BC\) بنسبة مربّعَي الضلعين المجاورين:

\[\boxed{\;\frac{BL}{LC}=\frac{c^2}{b^2}\;}\]

(2) السيميديانات الثلاثة تلتقي في نقطة واحدة \(K\) — نقطة لوموان — وأبعادها عن الأضلاع تتناسب مع أطوال الأضلاع:

\[d_a:d_b:d_c=a:b:c,\qquad\text{أي}\qquad d_a=\frac{2S\,a}{a^2+b^2+c^2}\ \text{ وبالمثل.}\]
السيميديانات تلتقي في \(K\). المتوسّطات (رماديّة متقطّعة) تلتقي في مركز الثقل \(G\) — نقطة مختلفة.
ملاحظة: في المثلث المتساوي الساقين \(AB=AC\) ينطبق المتوسّط من \(A\) على المنصّف، فينطبق عليه السيميديان أيضًا. وفي المثلث المتساوي الأضلاع تنطبق كلّها، و\(K\) هي مركز المثلث. في كلّ مثلث آخر \(K\) نقطة جديدة.

جرّبوا بأنفسكم

اسحبوا الرؤوس. النسب الثلاث \(\frac{d_a}a,\frac{d_b}b,\frac{d_c}c\) متساوية دائمًا. المستقيمات البرتقالية تمرّ بـ \(K\)، والنقاط الستّ الخضراء تبقى على دائرة واحدة — الانحراف عن الدائرة يبقى صفرًا.

–

–\(\frac{d_a}{a}\)
–\(\frac{d_b}{b}\)
–\(\frac{d_c}{c}\)
–الانحراف عن الدائرة

لمحة تاريخية

تحمل النقطة اسم المهندس والرياضيّ الفرنسيّ إميل لوموان (1840–1912)، الذي عرض خصائصها عام 1873 في مؤتمر الجمعية الفرنسية لتقدّم العلوم في ليون. كان هذا العمل من البدايات التي جعلت «هندسة المثلث» مجالًا نشيطًا في أواخر القرن التاسع عشر، واكتُشفت بعده نقاط ودوائر كثيرة جديدة في المثلث — منها دائرتا لوموان.

لكنّ النقطة كانت معروفة قبله: في ألمانيا تُسمّى أيضًا «نقطة غريبه»، على اسم إرنست فيلهلم غريبه الذي كتب عنها عام 1847. أمّا اسم «سيميديان» (symmedian) فاقترحه الرياضيّ الفرنسيّ موريس دوكاني.

البرهان

  1. نسبة أيّ قطعة بالجيوب

    لتكن \(AX\) قطعة من \(A\) إلى \(BC\)، تصنع زاوية \(\alpha\) مع \(AB\) وزاوية \(\beta\) مع \(AC\). للمثلثين \(ABX\) و\(AXC\) الارتفاع نفسه من \(A\)، لذا نسبة قاعدتيهما هي نسبة مساحتيهما. ونحسب كلّ مساحة بصيغة «نصف حاصل ضرب ضلعين في جيب الزاوية بينهما»:

    \[\frac{BX}{XC}=\frac{S_{ABX}}{S_{AXC}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot AX\sin\alpha}{\tfrac12\,b\cdot AX\sin\beta}=\frac{c\sin\alpha}{b\sin\beta}.\]
  2. المتوسّط

    للمتوسّط \(AM\) النسبة 1. إذا كانت زاويتاه \(\alpha_m\) (مع \(AB\)) و\(\beta_m\) (مع \(AC\)) فإنّ

    \[1=\frac{c\sin\alpha_m}{b\sin\beta_m}\quad\Longrightarrow\quad\frac{\sin\alpha_m}{\sin\beta_m}=\frac bc.\]
  3. السيميديان: الزاويتان تتبادلان

    الانعكاس حول المنصّف يبادل بين الزاويتين: السيميديان يصنع الزاوية \(\beta_m\) مع \(AB\) والزاوية \(\alpha_m\) مع \(AC\). وفق الخطوة 1:

    \[\frac{BL}{LC}=\frac{c\sin\beta_m}{b\sin\alpha_m}=\frac cb\cdot\frac cb=\frac{c^2}{b^2}.\]
  4. التلاقي — بمبرهنة تشيفا

    بالطريقة نفسها للسيميديانين الآخرين، والضرب يعطي

    \[\frac{c^2}{b^2}\cdot\frac{a^2}{c^2}\cdot\frac{b^2}{a^2}=1,\]

    ووفق عكس مبرهنة تشيفا تلتقي السيميديانات الثلاثة في نقطة واحدة \(K\).

  5. الأبعاد عن الأضلاع

    لنقطة \(X\) على السيميديان من \(A\): بُعدها عن \(AB\) هو \(AX\sin\beta_m\)، وبُعدها عن \(AC\) هو \(AX\sin\alpha_m\). النسبة بينهما \(\frac{\sin\beta_m}{\sin\alpha_m}=\frac cb\). إذن كلّ نقطة على السيميديان من \(A\) — وبالأخصّ \(K\) — تحقّق \(d_c:d_b=c:b\). ومن السيميديان من \(B\): \(d_a:d_c=a:c\). معًا: \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\).

    لإيجاد القيم نكتب \(d_a=ka,\ d_b=kb,\ d_c=kc\)، ونقسم المثلث إلى ثلاثة مثلثات رأسها المشترك \(K\): \(2S=a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=k(a^2+b^2+c^2)\). ومن هنا \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}\). \(\blacksquare\)

صلات جميلة

المماسّان للدائرة المحيطة

نرسم الدائرة المحيطة بالمثلث، والمماسّين لها في \(B\) وفي \(C\). يلتقي المماسّان في نقطة \(T\). المستقيم \(AT\) هو السيميديان من \(A\).

المماسّان في \(B\) وفي \(C\) يلتقيان في \(T\)، والمستقيم \(AT\) يمرّ بنقطة لوموان \(K\).

البرهان. ليقطع \(AT\) الضلع \(BC\) في \(L\). وفق مبرهنة الزاوية بين المماسّ والوتر \(\angle CBT=\angle A\)، لذا \(\angle ABT=B+A=180^\circ-C\)، و\(\sin\angle ABT=\sin C\). وبالمثل \(\sin\angle ACT=\sin B\). المماسّان من \(T\) متساويان: \(BT=CT\). بالطريقة نفسها كما في الخطوة 1 (المثلثان \(ABT\) و\(ACT\) لهما القاعدة المشتركة \(AT\)):

\[\frac{BL}{LC}=\frac{S_{ABT}}{S_{ACT}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot BT\sin C}{\tfrac12\,b\cdot CT\sin B}=\frac{c\sin C}{b\sin B}=\frac{c^2}{b^2},\]

والمساواة الأخيرة من قانون الجيوب (\(\frac{\sin C}{\sin B}=\frac cb\)). إذن \(L\) هي نقطة السيميديان. \(\blacksquare\)

لهذه الخاصّية نتيجة جميلة في مقالة نقطة جيرغون: نقطة جيرغون لمثلث هي نقطة لوموان لمثلث نقاط التماسّ مع دائرته الداخلية.

أقرب نقطة إلى الأضلاع الثلاثة «معًا»

من بين كلّ النقاط داخل المثلث، لأيّ نقطة يكون مجموع مربّعات الأبعاد \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\) أصغر ما يمكن؟ لكلّ نقطة داخلية \(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=2S\) (قسّموا المثلث إلى ثلاثة). ووفق متباينة كوشي–شفارتس

\[(2S)^2=(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c)^2\le(a^2+b^2+c^2)(d_a^2+d_b^2+d_c^2),\]

لذا \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\ge\frac{4S^2}{a^2+b^2+c^2}\)، والمساواة تتحقّق بالضبط عندما \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\) — أي في نقطة لوموان. فنقطة لوموان هي «أفضل حلّ وسط» بين الأضلاع الثلاثة.

دائرتا لوموان

نرسم عبر \(K\) ثلاثة مستقيمات موازية للأضلاع. كلّ مستقيم يقطع الضلعين الآخرين، فنحصل على ستّ نقاط.

دائرة لوموان الأولى

النقاط الستّ التي تقطع فيها الموازياتُ للأضلاع المارّةُ بـ \(K\) أضلاعَ المثلث تقع على دائرة واحدة، ومركزها منتصف القطعة \(OK\) (\(O\) مركز الدائرة المحيطة).

ثلاثة موازيات للأضلاع عبر \(K\)، والنقاط الستّ على دائرة لوموان الأولى. النقطة الصغيرة في منتصف \(OK\) هي مركزها.

فكرة البرهان. القطعة التي طرفاها على \(AB\) و\(AC\) وتصنع مع الضلعين زاويتين «مقلوبتين» (\(\angle C\) عند \(AB\) و\(\angle B\) عند \(AC\)) تُسمّى موازيًا عكسيًّا للضلع \(BC\). الانعكاس حول المنصّف يحوّل الموازيات لـ \(BC\) إلى موازيات عكسيّة، والمتوسّط (الذي ينصّف كلّ موازٍ لـ \(BC\)) إلى السيميديان. لذا السيميديان ينصّف كلّ موازٍ عكسيّ لـ \(BC\).

  • الموازي لـ \(CA\) عبر \(K\) يقطع \(AB\) في \(R\)، والموازي لـ \(AB\) عبر \(K\) يقطع \(AC\) في \(W\). الشكل \(ARKW\) متوازي أضلاع، وقطره \(AK\) ينصّف القطر الآخر \(RW\). وبما أنّ \(AK\) سيميديان، فـ \(RW\) موازٍ عكسيّ لـ \(BC\).
  • الموازي لـ \(BC\) عبر \(K\) يقطع \(AB, AC\) في \(P, Q\). قطعة موازية و«قطعة موازية عكسيًّا» بين ضلعَي زاوية تقطعانهما في أربع نقاط على دائرة (الرباعي \(PQWR\) دائريّ لأنّ \(\angle ARW=\angle C=\angle AQP\)). إذن عند كلّ رأس تقع أربع من النقاط الستّ على دائرة.
  • إذا كانت الدوائر الثلاث مختلفة، فالمحور الأساسيّ لكلّ اثنتين منها هو ضلع من أضلاع المثلث (عليه نقطتاهما المشتركتان). لكنّ المحاور الأساسية الثلاثة لثلاث دوائر تلتقي في نقطة أو تكون متوازية — وأضلاع المثلث ليست كذلك. إذن الدوائر الثلاث دائرة واحدة.

وإذا رسمنا عبر \(K\) موازيات عكسيّة للأضلاع بدل الموازيات، نحصل على ستّ نقاط أخرى على دائرة — دائرة لوموان الثانية، ومركزها \(K\) نفسها. (السبب: كلّ موازٍ عكسيّ عبر \(K\) ينصّفه السيميديان، أي أنّ \(K\) منتصفه؛ ويمكن إثبات أنّ الموازيات العكسيّة الثلاثة متساوية الطول.) تُسمّى هذه الدائرة أحيانًا «دائرة جيوب التمام». جرّبوها في المختبر بالزرّ الثاني.

مثال عدديّ: المثلث 13–14–15

في المثلث الذي أطوال أضلاعه \(a=14,\ b=15,\ c=13\) المساحة \(S=84\)، و\(a^2+b^2+c^2=196+225+169=590\).

  • السيميديان من \(A\) يقسم \(BC\) بالنسبة \(BL:LC=169:225\)، لذا \(BL=14\cdot\frac{169}{394}=\frac{1183}{197}\approx6.01\). (للمقارنة: المتوسّط عند \(7\)، والمنصّف عند \(14\cdot\frac{13}{28}=6.5\).)
  • أبعاد \(K\) عن الأضلاع: \(k=\frac{2\cdot84}{590}=\frac{84}{295}\)، لذا
\[d_a=\frac{1176}{295}\approx3.99,\qquad d_b=\frac{1260}{295}\approx4.27,\qquad d_c=\frac{1092}{295}\approx3.70.\]
النقطة\(d_a\)\(d_b\)\(d_c\)\(d_a^2+d_b^2+d_c^2\)
نقطة لوموان \(K\)3.994.273.7047.84
مركز الثقل \(G\)43.734.3148.49

(أبعاد مركز الثقل هي ثلث الارتفاعات: \(\frac{2S}{3a}\) وهكذا.) كما وعدنا: مجموع المربّعات عند \(K\) هو \(\frac{4\cdot84^2}{590}\approx47.84\)، وهو الأصغر.

تمرين للقرّاء: المثلث القائم الزاوية

تمرين

في المثلث \(ABC\) الزاوية \(C\) قائمة، و\(CH\) هو الارتفاع إلى الوتر. برهنوا أنّ نقطة لوموان هي منتصف الارتفاع \(CH\).

تلميح

ضعوا المثلث في هيئة محاور: \(C=(0,0)\)، \(A=(b,0)\)، \(B=(0,a)\). بُعدا \(K\) عن الضلعين القائمين هما إحداثيّاها. استعملوا \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\). وبديلًا: ما هو الموازي العكسيّ للوتر \(AB\) المارّ بـ \(C\)؟

حلّ كامل (حاولوا وحدكم أولًا!)

حلّ بالإحداثيّات. \(d_a\) هو البعد عن \(CB\) (محور \(y\))، أي الإحداثيّ \(x\) للنقطة \(K\)، و\(d_b\) هو البعد عن \(CA\) (محور \(x\))، أي الإحداثيّ \(y\). وفق المبرهنة \(d_a=ka,\ d_b=kb\) حيث \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}=\frac{ab}{2c^2}\) (لأنّ \(2S=ab\) و\(a^2+b^2=c^2\)). إذن

\[K=\Big(\frac{a^2b}{2c^2},\ \frac{ab^2}{2c^2}\Big).\]

معادلة الوتر \(ax+by=ab\)، والعمود عليه من \(C\) في اتّجاه \((a,b)\). موقع العمود \(H=t(a,b)\) يحقّق \(t(a^2+b^2)=ab\)، أي \(t=\frac{ab}{c^2}\) و\(H=\big(\frac{a^2b}{c^2},\frac{ab^2}{c^2}\big)\). إذن \(K=\frac12H\) — منتصف \(CH\). \(\blacksquare\)

حلّ هندسيّ. في المثلث القائم المتوسّط إلى الوتر يساوي نصف الوتر: \(MC=MA\)، لذا \(\angle MCA=\angle A\). ومن جهة أخرى \(\angle HCB=90^\circ-B=\angle A\). إذن \(CH\) يصنع مع \(CB\) الزاوية نفسها التي يصنعها المتوسّط \(CM\) مع \(CA\): \(CH\) هو السيميديان من \(C\)، و\(K\) تقع عليه.

بقي أن نجد موقعها على \(CH\). بما أنّ \(CH\perp AB\) فإنّ \(d_c=KH\). وبُعد \(K\) عن \(CB\) هو \(d_a=CK\sin\angle HCB=CK\sin A=CK\cdot\frac ac\). وفق المبرهنة \(d_a=ka\) و\(d_c=kc\)، لذا \(CK\cdot\frac ac=ka\)، أي \(CK=kc=KH\). إذن \(K\) منتصف \(CH\). \(\blacksquare\)

المراجع

  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • R. Honsberger, Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry, MAA, 1995.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
الأستاذ خالد خطيب · نقطة لوموان ودائرتا لوموان

מאמר בגאומטריה

נקודת למואן ומעגלי למואן

מה קורה לתיכונים כשמשקפים אותם במראה?

ניקח תיכון במשולש ונשקף אותו ביחס לחוצה הזווית היוצא מאותו קודקוד. נקבל קטע חדש: "התיכון המשוקף", או הסימדיאנה. גם שלוש הסימדיאנות נפגשות בנקודה אחת — נקודת למואן — ולנקודה הזאת יש תכונות שיופיין עולה אפילו על תכונות מרכז הכובד: מרחקיה מן הצלעות פרופורציונליים לצלעות, והמקבילים לצלעות העוברים דרכה חותכים את הצלעות בשש נקודות הנמצאות על מעגל אחד.

התיכון \(AM\) וחוצה הזווית \(AT\) יוצאים מאותו קודקוד, ובמשולש שאינו שווה־שוקיים הם שונים. "השיקוף" של התיכון ביחס לחוצה הזווית הוא הישר היוצר עם הצלע \(AC\) אותה זווית שהתיכון יוצר עם הצלע \(AB\). את הקטע המתקבל מ־\(A\) עד \(BC\) נקרא הסימדיאנה מ־\(A\) (מן המילים "סימטרי" ו"מדיאנה", כלומר תיכון), ואת נקודת החיתוך שלו עם \(BC\) נסמן \(L\).

התיכון \(AM\) (מקווקו), חוצה הזווית \(AT\) (אפור), והסימדיאנה \(AL\). שתי הזוויות המסומנות \(\varphi\) שוות: התיכון והסימדיאנה סימטריים ביחס לחוצה הזווית.

נשתמש בסימונים: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\), \(S\) שטח המשולש, ו־\(d_a,d_b,d_c\) מרחקי נקודה מן הישרים \(BC,\ CA,\ AB\).

המשפט

הסימדיאנות ונקודת למואן

(1) הסימדיאנה מ־\(A\) מחלקת את הצלע \(BC\) ביחס ריבועי שתי הצלעות הסמוכות:

\[\boxed{\;\frac{BL}{LC}=\frac{c^2}{b^2}\;}\]

(2) שלוש הסימדיאנות נפגשות בנקודה אחת \(K\) — נקודת למואן — ומרחקיה מן הצלעות פרופורציונליים לאורכי הצלעות:

\[d_a:d_b:d_c=a:b:c,\qquad\text{i.e.}\qquad d_a=\frac{2S\,a}{a^2+b^2+c^2}\ \text{ etc.}\]
הסימדיאנות נפגשות ב־\(K\). התיכונים (אפורים, מקווקווים) נפגשים במרכז הכובד \(G\) — נקודה אחרת.
הערה: במשולש שווה־שוקיים \(AB=AC\) התיכון מ־\(A\) מתלכד עם חוצה הזווית, ולכן גם הסימדיאנה מתלכדת איתו. במשולש שווה־צלעות כולם מתלכדים, ו־\(K\) היא מרכז המשולש. בכל משולש אחר \(K\) היא נקודה חדשה.

נסו בעצמכם

גררו את הקודקודים. שלושת היחסים \(\frac{d_a}a,\frac{d_b}b,\frac{d_c}c\) שווים תמיד. הישרים הכתומים עוברים דרך \(K\), ושש הנקודות הירוקות נשארות על מעגל אחד — הסטייה מן המעגל נשארת אפס.

–

–\(\frac{d_a}{a}\)
–\(\frac{d_b}{b}\)
–\(\frac{d_c}{c}\)
–הסטייה מן המעגל

קצת היסטוריה

הנקודה נקראת על שם המהנדס והמתמטיקאי הצרפתי אמיל למואן (1840–1912), שהציג את תכונותיה בשנת 1873 בכנס האגודה הצרפתית לקידום המדעים בליון. העבודה הזאת הייתה מן הראשונות שהפכו את "גאומטריית המשולש" לתחום פעיל בסוף המאה התשע־עשרה, ובעקבותיה התגלו במשולש נקודות ומעגלים חדשים רבים — ובהם מעגלי למואן.

אבל הנקודה הייתה ידועה עוד לפניו: בגרמניה היא נקראת גם "נקודת גרבה", על שם ארנסט וילהלם גרבה שכתב עליה בשנת 1847. ואת השם "סימדיאנה" (symmedian) הציע המתמטיקאי הצרפתי מוריס ד'אוקאן.

ההוכחה

  1. היחס של כל קטע — בעזרת סינוסים

    יהי \(AX\) קטע מ־\(A\) אל \(BC\), היוצר זווית \(\alpha\) עם \(AB\) וזווית \(\beta\) עם \(AC\). למשולשים \(ABX\) ו־\(AXC\) אותו גובה מ־\(A\), ולכן היחס בין הבסיסים שלהם הוא היחס בין השטחים. כל שטח נחשב בנוסחה "חצי מכפלת שתי צלעות בסינוס הזווית שביניהן":

    \[\frac{BX}{XC}=\frac{S_{ABX}}{S_{AXC}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot AX\sin\alpha}{\tfrac12\,b\cdot AX\sin\beta}=\frac{c\sin\alpha}{b\sin\beta}.\]
  2. התיכון

    לתיכון \(AM\) היחס הוא 1. אם הזוויות שלו הן \(\alpha_m\) (עם \(AB\)) ו־\(\beta_m\) (עם \(AC\)), אז

    \[1=\frac{c\sin\alpha_m}{b\sin\beta_m}\quad\Longrightarrow\quad\frac{\sin\alpha_m}{\sin\beta_m}=\frac bc.\]
  3. הסימדיאנה: הזוויות מתחלפות

    השיקוף ביחס לחוצה הזווית מחליף בין שתי הזוויות: הסימדיאנה יוצרת את הזווית \(\beta_m\) עם \(AB\) ואת הזווית \(\alpha_m\) עם \(AC\). לפי שלב 1:

    \[\frac{BL}{LC}=\frac{c\sin\beta_m}{b\sin\alpha_m}=\frac cb\cdot\frac cb=\frac{c^2}{b^2}.\]
  4. נקודת המפגש — בעזרת משפט צ'בה

    באותו אופן לשתי הסימדיאנות האחרות, והמכפלה נותנת

    \[\frac{c^2}{b^2}\cdot\frac{a^2}{c^2}\cdot\frac{b^2}{a^2}=1,\]

    ולפי המשפט ההפוך למשפט צ'בה שלוש הסימדיאנות נפגשות בנקודה אחת \(K\).

  5. המרחקים מן הצלעות

    לנקודה \(X\) על הסימדיאנה מ־\(A\): מרחקה מ־\(AB\) הוא \(AX\sin\beta_m\), ומרחקה מ־\(AC\) הוא \(AX\sin\alpha_m\). היחס ביניהם \(\frac{\sin\beta_m}{\sin\alpha_m}=\frac cb\). לכן כל נקודה על הסימדיאנה מ־\(A\) — ובפרט \(K\) — מקיימת \(d_c:d_b=c:b\). ומן הסימדיאנה מ־\(B\): \(d_a:d_c=a:c\). יחד: \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\).

    כדי למצוא את הערכים נכתוב \(d_a=ka,\ d_b=kb,\ d_c=kc\), ונחלק את המשולש לשלושה משולשים שהקודקוד המשותף שלהם הוא \(K\): \(2S=a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=k(a^2+b^2+c^2)\). ומכאן \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}\). \(\blacksquare\)

קשרים יפים

המשיקים למעגל החוסם

נשרטט את המעגל החוסם את המשולש, ואת המשיקים לו ב־\(B\) וב־\(C\). המשיקים נפגשים בנקודה \(T\). הישר \(AT\) הוא הסימדיאנה מ־\(A\).

המשיקים ב־\(B\) וב־\(C\) נפגשים ב־\(T\), והישר \(AT\) עובר דרך נקודת למואן \(K\).

הוכחה. יחתוך \(AT\) את הצלע \(BC\) ב־\(L\). לפי המשפט על הזווית שבין משיק למיתר \(\angle CBT=\angle A\), לכן \(\angle ABT=B+A=180^\circ-C\), ו־\(\sin\angle ABT=\sin C\). באופן דומה \(\sin\angle ACT=\sin B\). שני המשיקים מ־\(T\) שווים: \(BT=CT\). באותו אופן כמו בשלב 1 (למשולשים \(ABT\) ו־\(ACT\) יש בסיס משותף \(AT\)):

\[\frac{BL}{LC}=\frac{S_{ABT}}{S_{ACT}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot BT\sin C}{\tfrac12\,b\cdot CT\sin B}=\frac{c\sin C}{b\sin B}=\frac{c^2}{b^2},\]

והשוויון האחרון נובע ממשפט הסינוסים (\(\frac{\sin C}{\sin B}=\frac cb\)). לכן \(L\) היא נקודת הסימדיאנה. \(\blacksquare\)

לתכונה הזאת יש מסקנה יפה במאמר על נקודת ז'רגון: נקודת ז'רגון של משולש היא נקודת למואן של משולש נקודות ההשקה עם המעגל החסום בו.

הנקודה הקרובה ביותר לשלוש הצלעות "יחד"

מבין כל הנקודות שבתוך המשולש, לאיזו נקודה סכום ריבועי המרחקים \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\) הוא הקטן ביותר? לכל נקודה פנימית \(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=2S\) (חלקו את המשולש לשלושה). ולפי אי־שוויון קושי–שוורץ

\[(2S)^2=(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c)^2\le(a^2+b^2+c^2)(d_a^2+d_b^2+d_c^2),\]

לכן \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\ge\frac{4S^2}{a^2+b^2+c^2}\), ושוויון מתקיים בדיוק כאשר \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\) — כלומר בנקודת למואן. נקודת למואן היא "הפשרה הטובה ביותר" בין שלוש הצלעות.

מעגלי למואן

נעביר דרך \(K\) שלושה ישרים המקבילים לצלעות. כל ישר חותך את שתי הצלעות האחרות, ומתקבלות שש נקודות.

מעגל למואן הראשון

שש הנקודות שבהן המקבילים לצלעות העוברים דרך \(K\) חותכים את צלעות המשולש נמצאות על מעגל אחד, ומרכזו באמצע הקטע \(OK\) (\(O\) מרכז המעגל החוסם).

שלושה מקבילים לצלעות דרך \(K\), ושש הנקודות על מעגל למואן הראשון. הנקודה הקטנה באמצע \(OK\) היא מרכזו.

רעיון ההוכחה. קטע שקצותיו על \(AB\) ועל \(AC\) והוא יוצר עם שתי הצלעות זוויות "מוחלפות" (\(\angle C\) ליד \(AB\) ו־\(\angle B\) ליד \(AC\)) נקרא אנטי־מקביל לצלע \(BC\). השיקוף ביחס לחוצה הזווית הופך את המקבילים ל־\(BC\) לאנטי־מקבילים, ואת התיכון (החוצה כל מקביל ל־\(BC\)) לסימדיאנה. לכן הסימדיאנה חוצה כל אנטי־מקביל ל־\(BC\).

  • המקביל ל־\(CA\) דרך \(K\) חותך את \(AB\) ב־\(R\), והמקביל ל־\(AB\) דרך \(K\) חותך את \(AC\) ב־\(W\). הצורה \(ARKW\) היא מקבילית, והאלכסון שלה \(AK\) חוצה את האלכסון השני \(RW\). מכיוון ש־\(AK\) סימדיאנה, \(RW\) הוא אנטי־מקביל ל־\(BC\).
  • המקביל ל־\(BC\) דרך \(K\) חותך את \(AB, AC\) ב־\(P, Q\). קטע מקביל וקטע אנטי־מקביל בין שוקי זווית חותכים אותן בארבע נקודות הנמצאות על מעגל (המרובע \(PQWR\) בר־חסימה כי \(\angle ARW=\angle C=\angle AQP\)). לכן ליד כל קודקוד ארבע מתוך שש הנקודות נמצאות על מעגל.
  • אם שלושת המעגלים שונים, אז הציר הרדיקלי של כל שניים מהם הוא אחת מצלעות המשולש (עליה נמצאות שתי הנקודות המשותפות להם). אבל שלושת הצירים הרדיקליים של שלושה מעגלים נפגשים בנקודה אחת או מקבילים זה לזה — וצלעות המשולש אינן כאלה. לכן שלושת המעגלים הם מעגל אחד.

ואם נעביר דרך \(K\) אנטי־מקבילים לצלעות במקום מקבילים, נקבל עוד שש נקודות על מעגל — מעגל למואן השני, ומרכזו \(K\) עצמה. (הסיבה: כל אנטי־מקביל דרך \(K\) נחצה על ידי הסימדיאנה, כלומר \(K\) היא אמצעו; ואפשר להוכיח ששלושת האנטי־מקבילים שווים באורכם.) המעגל הזה נקרא לפעמים "מעגל הקוסינוסים". נסו אותו במעבדה בכפתור השני.

דוגמה מספרית: המשולש 13–14–15

במשולש שאורכי צלעותיו \(a=14,\ b=15,\ c=13\) השטח הוא \(S=84\), ו־\(a^2+b^2+c^2=196+225+169=590\).

  • הסימדיאנה מ־\(A\) מחלקת את \(BC\) ביחס \(BL:LC=169:225\), לכן \(BL=14\cdot\frac{169}{394}=\frac{1183}{197}\approx6.01\). (להשוואה: התיכון ב־\(7\), וחוצה הזווית ב־\(14\cdot\frac{13}{28}=6.5\).)
  • מרחקי \(K\) מן הצלעות: \(k=\frac{2\cdot84}{590}=\frac{84}{295}\), לכן
\[d_a=\frac{1176}{295}\approx3.99,\qquad d_b=\frac{1260}{295}\approx4.27,\qquad d_c=\frac{1092}{295}\approx3.70.\]
הנקודה\(d_a\)\(d_b\)\(d_c\)\(d_a^2+d_b^2+d_c^2\)
נקודת למואן \(K\)3.994.273.7047.84
מרכז הכובד \(G\)43.734.3148.49

(מרחקי מרכז הכובד הם שליש מן הגבהים: \(\frac{2S}{3a}\) וכן הלאה.) כפי שהבטחנו: סכום הריבועים ב־\(K\) הוא \(\frac{4\cdot84^2}{590}\approx47.84\), והוא הקטן ביותר.

תרגיל לקוראים: המשולש ישר־הזווית

תרגיל

במשולש \(ABC\) הזווית \(C\) ישרה, ו־\(CH\) הוא הגובה ליתר. הוכיחו שנקודת למואן היא אמצע הגובה \(CH\).

רמז

הציבו את המשולש במערכת צירים: \(C=(0,0)\), \(A=(b,0)\), \(B=(0,a)\). המרחקים של \(K\) מן הניצבים הם הקואורדינטות שלה. השתמשו ב־\(d_a:d_b:d_c=a:b:c\). ולחלופין: מהו האנטי־מקביל ליתר \(AB\) העובר דרך \(C\)?

פתרון מלא (נסו לבד קודם!)

פתרון בקואורדינטות. \(d_a\) הוא המרחק מ־\(CB\) (ציר \(y\)), כלומר שיעור ה־\(x\) של \(K\), ו־\(d_b\) הוא המרחק מ־\(CA\) (ציר \(x\)), כלומר שיעור ה־\(y\). לפי המשפט \(d_a=ka,\ d_b=kb\), כאשר \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}=\frac{ab}{2c^2}\) (כי \(2S=ab\) ו־\(a^2+b^2=c^2\)). לכן

\[K=\Big(\frac{a^2b}{2c^2},\ \frac{ab^2}{2c^2}\Big).\]

משוואת היתר היא \(ax+by=ab\), והאנך אליו מ־\(C\) הוא בכיוון \((a,b)\). עקב האנך \(H=t(a,b)\) מקיים \(t(a^2+b^2)=ab\), כלומר \(t=\frac{ab}{c^2}\) ו־\(H=\big(\frac{a^2b}{c^2},\frac{ab^2}{c^2}\big)\). לכן \(K=\frac12H\) — אמצע \(CH\). \(\blacksquare\)

פתרון גאומטרי. במשולש ישר־זווית התיכון ליתר שווה למחצית היתר: \(MC=MA\), לכן \(\angle MCA=\angle A\). מצד שני \(\angle HCB=90^\circ-B=\angle A\). לכן \(CH\) יוצר עם \(CB\) אותה זווית שהתיכון \(CM\) יוצר עם \(CA\): \(CH\) הוא הסימדיאנה מ־\(C\), ו־\(K\) נמצאת עליו.

נותר למצוא את מיקומה על \(CH\). מכיוון ש־\(CH\perp AB\), \(d_c=KH\). ומרחק \(K\) מ־\(CB\) הוא \(d_a=CK\sin\angle HCB=CK\sin A=CK\cdot\frac ac\). לפי המשפט \(d_a=ka\) ו־\(d_c=kc\), לכן \(CK\cdot\frac ac=ka\), כלומר \(CK=kc=KH\). לכן \(K\) היא אמצע \(CH\). \(\blacksquare\)

מקורות

  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • R. Honsberger, Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry, MAA, 1995.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
חאלד חטיב · נקודת למואן ומעגלי למואן

A geometry article

The Lemoine Point and the Lemoine Circles

What happens to the medians if we reflect them in a mirror?

Take a median of a triangle and reflect it in the angle bisector from the same vertex. We get a new segment: the “reflected median”, or symmedian. The three symmedians also meet at a single point — the Lemoine point — and this point has properties even more beautiful than those of the centroid: its distances to the sides are proportional to the sides, and the parallels to the sides through it cut the sides at six points lying on one circle.

The median \(AM\) and the angle bisector \(AT\) leave the same vertex, and in a triangle that is not isosceles they differ. The “reflection” of the median in the bisector is the line that makes with side \(AC\) the same angle that the median makes with side \(AB\). We call the resulting segment from \(A\) to \(BC\) the symmedian from \(A\) (from “symmetric” and “median”), and we write \(L\) for the point where it meets \(BC\).

The median \(AM\) (dashed), the angle bisector \(AT\) (grey), and the symmedian \(AL\). The two marked angles \(\varphi\) are equal: the median and the symmedian are symmetric about the bisector.

Notation: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\), \(S\) is the area of the triangle, and \(d_a,d_b,d_c\) are the distances from a point to the lines \(BC,\ CA,\ AB\).

The theorem

The symmedians and the Lemoine point

(1) The symmedian from \(A\) divides side \(BC\) in the ratio of the squares of the two adjacent sides:

\[\boxed{\;\frac{BL}{LC}=\frac{c^2}{b^2}\;}\]

(2) The three symmedians meet at a single point \(K\) — the Lemoine point — whose distances to the sides are proportional to the side lengths:

\[d_a:d_b:d_c=a:b:c,\qquad\text{i.e.}\qquad d_a=\frac{2S\,a}{a^2+b^2+c^2}\ \text{ etc.}\]
The symmedians meet at \(K\). The medians (grey, dashed) meet at the centroid \(G\) — a different point.
Note: in an isosceles triangle with \(AB=AC\) the median from \(A\) coincides with the bisector, so the symmedian coincides with it too. In an equilateral triangle they all coincide, and \(K\) is the centre of the triangle. In every other triangle \(K\) is a new point.

Try it yourself

Drag the vertices. The three ratios \(\frac{d_a}a,\frac{d_b}b,\frac{d_c}c\) are always equal. The orange lines pass through \(K\), and the six green points stay on one circle — the deviation from the circle stays at zero.

–

–\(\frac{d_a}{a}\)
–\(\frac{d_b}{b}\)
–\(\frac{d_c}{c}\)
–Deviation from the circle

A little history

The point is named after the French engineer and mathematician Émile Lemoine (1840–1912), who presented its properties in 1873 at the congress of the French Association for the Advancement of Science in Lyon. This work was among the first to make “triangle geometry” an active field in the late nineteenth century, and many new points and circles of the triangle were discovered after it — the Lemoine circles among them.

But the point was known before him: in Germany it is also called the “Grebe point”, after Ernst Wilhelm Grebe, who wrote about it in 1847. The name “symmedian” was proposed by the French mathematician Maurice d’Ocagne.

The proof

  1. The ratio of any segment, using sines

    Let \(AX\) be a segment from \(A\) to \(BC\), making angle \(\alpha\) with \(AB\) and angle \(\beta\) with \(AC\). Triangles \(ABX\) and \(AXC\) have the same height from \(A\), so the ratio of their bases is the ratio of their areas. We compute each area by the formula “half the product of two sides times the sine of the angle between them”:

    \[\frac{BX}{XC}=\frac{S_{ABX}}{S_{AXC}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot AX\sin\alpha}{\tfrac12\,b\cdot AX\sin\beta}=\frac{c\sin\alpha}{b\sin\beta}.\]
  2. The median

    For the median \(AM\) the ratio is 1. If its angles are \(\alpha_m\) (with \(AB\)) and \(\beta_m\) (with \(AC\)), then

    \[1=\frac{c\sin\alpha_m}{b\sin\beta_m}\quad\Longrightarrow\quad\frac{\sin\alpha_m}{\sin\beta_m}=\frac bc.\]
  3. The symmedian: the angles swap

    Reflection in the bisector swaps the two angles: the symmedian makes angle \(\beta_m\) with \(AB\) and angle \(\alpha_m\) with \(AC\). By step 1:

    \[\frac{BL}{LC}=\frac{c\sin\beta_m}{b\sin\alpha_m}=\frac cb\cdot\frac cb=\frac{c^2}{b^2}.\]
  4. Concurrence — by Ceva’s theorem

    In the same way for the other two symmedians, and the product gives

    \[\frac{c^2}{b^2}\cdot\frac{a^2}{c^2}\cdot\frac{b^2}{a^2}=1,\]

    so by the converse of Ceva’s theorem the three symmedians meet at a single point \(K\).

  5. The distances to the sides

    For a point \(X\) on the symmedian from \(A\): its distance to \(AB\) is \(AX\sin\beta_m\), and its distance to \(AC\) is \(AX\sin\alpha_m\). Their ratio is \(\frac{\sin\beta_m}{\sin\alpha_m}=\frac cb\). So every point on the symmedian from \(A\) — in particular \(K\) — satisfies \(d_c:d_b=c:b\). And from the symmedian from \(B\): \(d_a:d_c=a:c\). Together: \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\).

    To find the values, write \(d_a=ka,\ d_b=kb,\ d_c=kc\) and split the triangle into three triangles with common vertex \(K\): \(2S=a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=k(a^2+b^2+c^2)\). Hence \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}\). \(\blacksquare\)

Beautiful connections

The tangents to the circumcircle

Draw the circumcircle of the triangle and the tangents to it at \(B\) and at \(C\). The tangents meet at a point \(T\). The line \(AT\) is the symmedian from \(A\).

The tangents at \(B\) and at \(C\) meet at \(T\), and line \(AT\) passes through the Lemoine point \(K\).

Proof. Let \(AT\) meet side \(BC\) at \(L\). By the tangent–chord angle theorem \(\angle CBT=\angle A\), so \(\angle ABT=B+A=180^\circ-C\), and \(\sin\angle ABT=\sin C\). Similarly \(\sin\angle ACT=\sin B\). The two tangents from \(T\) are equal: \(BT=CT\). In the same way as in step 1 (triangles \(ABT\) and \(ACT\) share the base \(AT\)):

\[\frac{BL}{LC}=\frac{S_{ABT}}{S_{ACT}}=\frac{\tfrac12\,c\cdot BT\sin C}{\tfrac12\,b\cdot CT\sin B}=\frac{c\sin C}{b\sin B}=\frac{c^2}{b^2},\]

where the last equality is the law of sines (\(\frac{\sin C}{\sin B}=\frac cb\)). So \(L\) is the symmedian point on \(BC\). \(\blacksquare\)

This property has a beautiful consequence in the article on the Gergonne point: the Gergonne point of a triangle is the Lemoine point of the triangle formed by the points where its incircle touches the sides.

The point closest to all three sides “together”

Among all points inside the triangle, which one makes the sum of squared distances \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\) as small as possible? For every interior point \(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c=2S\) (split the triangle into three). By the Cauchy–Schwarz inequality

\[(2S)^2=(a\,d_a+b\,d_b+c\,d_c)^2\le(a^2+b^2+c^2)(d_a^2+d_b^2+d_c^2),\]

so \(d_a^2+d_b^2+d_c^2\ge\frac{4S^2}{a^2+b^2+c^2}\), with equality exactly when \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\) — that is, at the Lemoine point. The Lemoine point is the “best compromise” between the three sides.

The Lemoine circles

Through \(K\) draw three lines parallel to the sides. Each line meets the other two sides, giving six points.

The first Lemoine circle

The six points where the parallels to the sides through \(K\) meet the sides of the triangle lie on one circle, whose centre is the midpoint of segment \(OK\) (\(O\) is the circumcentre).

Three parallels to the sides through \(K\), and the six points on the first Lemoine circle. The small dot at the midpoint of \(OK\) is its centre.

Idea of the proof. A segment with endpoints on \(AB\) and \(AC\) that makes “swapped” angles with the two sides (\(\angle C\) at \(AB\) and \(\angle B\) at \(AC\)) is called an antiparallel to side \(BC\). Reflection in the bisector turns parallels to \(BC\) into antiparallels, and the median (which bisects every parallel to \(BC\)) into the symmedian. So the symmedian bisects every antiparallel to \(BC\).

  • The parallel to \(CA\) through \(K\) meets \(AB\) at \(R\), and the parallel to \(AB\) through \(K\) meets \(AC\) at \(W\). \(ARKW\) is a parallelogram, and its diagonal \(AK\) bisects the other diagonal \(RW\). Since \(AK\) is a symmedian, \(RW\) is antiparallel to \(BC\).
  • The parallel to \(BC\) through \(K\) meets \(AB, AC\) at \(P, Q\). A parallel and an antiparallel between the arms of an angle cut them at four concyclic points (quadrilateral \(PQWR\) is cyclic because \(\angle ARW=\angle C=\angle AQP\)). So at each vertex, four of the six points lie on a circle.
  • If the three circles were different, the radical axis of each pair would be a side of the triangle (it contains their two common points). But the three radical axes of three circles meet at one point or are parallel — and the sides of a triangle are neither. So the three circles are one circle.

If instead of parallels we draw antiparallels to the sides through \(K\), we get six more points on a circle — the second Lemoine circle, whose centre is \(K\) itself. (The reason: every antiparallel through \(K\) is bisected by the symmedian, so \(K\) is its midpoint; and one can prove that the three antiparallels have equal length.) This circle is sometimes called the “cosine circle”. Try it in the lab with the second button.

A numerical example: the 13–14–15 triangle

In the triangle with sides \(a=14,\ b=15,\ c=13\) the area is \(S=84\), and \(a^2+b^2+c^2=196+225+169=590\).

  • The symmedian from \(A\) divides \(BC\) in the ratio \(BL:LC=169:225\), so \(BL=14\cdot\frac{169}{394}=\frac{1183}{197}\approx6.01\). (For comparison: the median is at \(7\), and the bisector at \(14\cdot\frac{13}{28}=6.5\).)
  • The distances from \(K\) to the sides: \(k=\frac{2\cdot84}{590}=\frac{84}{295}\), so
\[d_a=\frac{1176}{295}\approx3.99,\qquad d_b=\frac{1260}{295}\approx4.27,\qquad d_c=\frac{1092}{295}\approx3.70.\]
Point\(d_a\)\(d_b\)\(d_c\)\(d_a^2+d_b^2+d_c^2\)
Lemoine point \(K\)3.994.273.7047.84
Centroid \(G\)43.734.3148.49

(The distances of the centroid are a third of the altitudes: \(\frac{2S}{3a}\) and so on.) As promised: the sum of squares at \(K\) is \(\frac{4\cdot84^2}{590}\approx47.84\), the smallest.

A problem for the reader: the right triangle

Exercise

In triangle \(ABC\) the angle \(C\) is a right angle, and \(CH\) is the altitude to the hypotenuse. Prove that the Lemoine point is the midpoint of the altitude \(CH\).

Hint

Place the triangle in coordinates: \(C=(0,0)\), \(A=(b,0)\), \(B=(0,a)\). The distances from \(K\) to the legs are its coordinates. Use \(d_a:d_b:d_c=a:b:c\). Alternatively: what is the antiparallel to the hypotenuse \(AB\) through \(C\)?

Full solution (try it yourself first!)

A solution with coordinates. \(d_a\) is the distance to \(CB\) (the \(y\)-axis), that is, the \(x\)-coordinate of \(K\), and \(d_b\) is the distance to \(CA\) (the \(x\)-axis), that is, the \(y\)-coordinate. By the theorem \(d_a=ka,\ d_b=kb\) with \(k=\frac{2S}{a^2+b^2+c^2}=\frac{ab}{2c^2}\) (since \(2S=ab\) and \(a^2+b^2=c^2\)). So

\[K=\Big(\frac{a^2b}{2c^2},\ \frac{ab^2}{2c^2}\Big).\]

The hypotenuse has equation \(ax+by=ab\), and the perpendicular to it from \(C\) has direction \((a,b)\). The foot \(H=t(a,b)\) satisfies \(t(a^2+b^2)=ab\), so \(t=\frac{ab}{c^2}\) and \(H=\big(\frac{a^2b}{c^2},\frac{ab^2}{c^2}\big)\). Therefore \(K=\frac12H\) — the midpoint of \(CH\). \(\blacksquare\)

A geometric solution. In a right triangle the median to the hypotenuse is half the hypotenuse: \(MC=MA\), so \(\angle MCA=\angle A\). On the other hand \(\angle HCB=90^\circ-B=\angle A\). So \(CH\) makes with \(CB\) the same angle that the median \(CM\) makes with \(CA\): \(CH\) is the symmedian from \(C\), and \(K\) lies on it.

It remains to find its position on \(CH\). Since \(CH\perp AB\), \(d_c=KH\). The distance from \(K\) to \(CB\) is \(d_a=CK\sin\angle HCB=CK\sin A=CK\cdot\frac ac\). By the theorem \(d_a=ka\) and \(d_c=kc\), so \(CK\cdot\frac ac=ka\), that is, \(CK=kc=KH\). So \(K\) is the midpoint of \(CH\). \(\blacksquare\)

References

  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • R. Honsberger, Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry, MAA, 1995.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967.
Khaled Khatib · The Lemoine Point and the Lemoine Circles

→ العودة إلى كلّ المقالات