Идея решения
Все точки заданы отношениями на сторонах — значит, их удобно записать через два вектора \(\vec{AB}\) и \(\vec{AC}\). Тогда «параллелограмм» превращается в равенство двух векторов, а «перпендикулярность» — в равенство нулю скалярного произведения. Никаких хитрых построений не потребуется.
Пункт а). Шаг 1. Вводим векторы
Обозначим
\[\vec{b} = \vec{AB},\qquad \vec{c} = \vec{AC}.\]
Все точки будем задавать векторами из вершины \(A\).
Шаг 2. Записываем точки
Точка \(C_1\) делит \(AB\) в отношении \(8 : 3\) от \(A\), то есть \(AC_1 = \frac{8}{11}AB\):
\[\vec{AC_1} = \frac{8}{11}\vec{b}.\]
Точка \(B_1\) делит \(AC\) в отношении \(1 : 3\) от \(A\), то есть \(AB_1 = \frac14 AC\):
\[\vec{AB_1} = \frac14\vec{c}.\]
Точка \(A_1\) делит \(BC\) в отношении \(1 : 2\) от \(B\), то есть \(\vec{BA_1} = \frac13\vec{BC}\):
\[\vec{AA_1} = \vec{b} + \frac13\left(\vec{c} - \vec{b}\right) =\]
\[= \frac23\vec{b} + \frac13\vec{c}.\]
Важно! Отношение \(1 : 2\) «от \(B\)» означает, что точка стоит на трети пути от \(B\) к \(C\), а не на половине. Здесь путают чаще всего.
Шаг 3. Ищем точку D
Точка \(D\) лежит на \(BB_1\):
\[\vec{AD} = \vec{b} + t\left(\frac14\vec{c} - \vec{b}\right) =\]
\[= (1-t)\vec{b} + \frac{t}{4}\vec{c}.\]
Она же лежит на \(CC_1\):
\[\vec{AD} = \vec{c} + s\left(\frac{8}{11}\vec{b} - \vec{c}\right) =\]
\[= \frac{8s}{11}\vec{b} + (1-s)\vec{c}.\]
Векторы \(\vec b\) и \(\vec c\) не параллельны, поэтому разложение по ним единственно, и коэффициенты можно приравнять:
\[1 - t = \frac{8s}{11},\qquad \frac{t}{4} = 1 - s.\]
Из второго уравнения \(t = 4 - 4s\). Подставляем в первое:
\[1 - 4 + 4s = \frac{8s}{11},\]
\[-33 + 44s = 8s,\qquad s = \frac{11}{12},\]
\[t = \frac13.\]
Значит,
\[\vec{AD} = \frac23\vec{b} + \frac{1}{12}\vec{c}.\]
Важно! Приравнивать коэффициенты можно только потому, что \(\vec b\) и \(\vec c\) неколлинеарны (иначе треугольника бы не было). Это обязательно упомянуть в решении.
Шаг 4. Сравниваем два вектора
\[\vec{B_1A_1} = \vec{AA_1} - \vec{AB_1} =\]
\[= \frac23\vec{b} + \frac13\vec{c} - \frac14\vec{c} =\]
\[= \frac23\vec{b} + \frac{1}{12}\vec{c}.\]
Получилось ровно то же, что и \(\vec{AD}\):
\[\vec{AD} = \vec{B_1A_1}.\]
Равенство векторов означает, что отрезки \(AD\) и \(B_1A_1\) параллельны, равны по длине и одинаково направлены. А если в четырёхугольнике одна пара сторон параллельна и равна, то это параллелограмм. Значит, \(ADA_1B_1\) — параллелограмм. Пункт а) доказан.
Другой взгляд (без векторов)
Из \(t = \frac13\) следует \(BD : DB_1 = 1 : 2\). Но и \(BA_1 : A_1C = 1 : 2\). Значит, в треугольнике \(BB_1C\) точки \(D\) и \(A_1\) делят стороны \(BB_1\) и \(BC\) в одинаковом отношении, и по теореме Фалеса \(DA_1 \parallel B_1C\), то есть \(DA_1 \parallel AC\). При этом
\[DA_1 = \frac13 B_1C = \frac13\cdot\frac34 AC = \frac14 AC = AB_1,\]
то есть \(DA_1\) и \(AB_1\) параллельны и равны — снова параллелограмм.
Пункт б). Шаг 5. Что означает перпендикулярность
Обозначим \(AB = m\), \(AC = n = 16\). Тогда
\[\vec b\cdot\vec b = m^2,\qquad \vec c\cdot\vec c = n^2,\]
\[\vec b\cdot\vec c = mn\cos A.\]
Условие \(AD \perp BC\) означает
\[\vec{AD}\cdot\vec{BC} = 0,\qquad \vec{BC} = \vec c - \vec b.\]
Шаг 6. Раскрываем скалярное произведение
\[\left(\frac23\vec b + \frac{1}{12}\vec c\right)\cdot\left(\vec c - \vec b\right) = 0,\]
\[\frac23\left(\vec b\cdot\vec c\right) - \frac23 m^2 +\]
\[+\ \frac{1}{12}n^2 - \frac{1}{12}\left(\vec b\cdot\vec c\right) = 0.\]
Собираем подобные (\(\frac23 - \frac{1}{12} = \frac{7}{12}\)) и умножаем всё на 12:
\[7\left(\vec b\cdot\vec c\right) = 8m^2 - n^2.\]
Шаг 7. Подключаем теорему косинусов
\[BC^2 = \left|\vec c - \vec b\right|^2 =\]
\[= m^2 + n^2 - 2\left(\vec b\cdot\vec c\right) = 225,\]
\[\vec b\cdot\vec c = \frac{m^2 + n^2 - 225}{2}.\]
Шаг 8. Находим AB
Подставляем в равенство шага 6:
\[\frac72\left(m^2 + n^2 - 225\right) = 8m^2 - n^2,\]
\[7m^2 + 7n^2 - 1575 = 16m^2 - 2n^2,\]
\[9n^2 - 9m^2 = 1575,\qquad n^2 - m^2 = 175.\]
Так как \(n = 16\), то
\[m^2 = 256 - 175 = 81,\qquad AB = 9.\]
Шаг 9. Угол A
\[\cos A = \frac{m^2 + n^2 - 225}{2mn} =\]
\[= \frac{81 + 256 - 225}{2\cdot 9\cdot 16} = \frac{112}{288} = \frac{7}{18},\]
\[\sin A = \sqrt{1 - \frac{49}{324}} = \frac{5\sqrt{11}}{18}.\]
Важно! Синус берём со знаком «плюс»: угол треугольника лежит между \(0^\circ\) и \(180^\circ\), а там синус положителен.
Шаг 10. Радиус описанной окружности
По теореме синусов
\[\frac{BC}{\sin A} = 2R,\]
\[R = \frac{15}{2\cdot\frac{5\sqrt{11}}{18}} = \frac{15\cdot 18}{10\sqrt{11}} =\]
\[= \frac{27}{\sqrt{11}} = \frac{27\sqrt{11}}{11}.\]
Ответ по пунктам
а) доказано; б) \(R = \dfrac{27\sqrt{11}}{11}\).
Ответ: б) \(R = \dfrac{27\sqrt{11}}{11}\)