Применение медиан в математической статистике

3. Применение медиан в математической статистике

Медианы бывают не только в геометрии, но и в математической статистике. Пусть нужно найти среднее значение некоторого набора чисел ,, ..., а_п. Можно, конечно, за среднее принять среднее арифметическое

Но иногда это неудобно. Допустим, что нужно определить средний рост второклассников Москвы. Опросим наугад 100 школьников и запишем их рост. Если один из ребят в шутку скажет, что его рост равен километру, то среднее арифметическое записанных чисел окажется слишком большим. Гораздо лучше в качестве среднего взять медиану чисел , ..., а_п.

Предположим, что чисел - нечетное количество, и расставим их в неубывающем порядке. Число, оказавшееся на среднем месте, называется медианой набора. Например, медиана набора чисел 1, 2, 5, 30, 1, 1, 2 равна 2 (а среднее арифметическое значительно больше - оно равно 6).

4. Медианы тетраэдра

Оказывается, можно говорить о медианах не только для треугольника, но и для тетраэдра. Отрезок, соединяющий вершину тетраэдра с центроидом (точкой пересечения медиан) противолежащей грани, называется медианой тетраэдра. Как и медианы треугольника, медианы тетраэдра пересекаются в одной точке, центре масс или центроиде тетраэдра, но отношение, в котором они делятся в этой точке, иное – 3:1, считая от вершин. Эта же точка лежит и на всех отрезках, соединяющих середины противоположных ребер тетраэдра, его бимедианах, и делит их пополам. Это можно доказать, например, из механических соображений, поместив в каждую из четырех вершин тетраэдра грузики единичной массы.

 

5. Шесть доказательств теоремы о медианах

 

Давно замечено, что познакомиться с разными решениями одной задачи бывает полезнее, чем с однотипными решениями разных задач. Одной из теорем, допускающих, как и многие другие классические теоремы элементарной геометрии, несколько поучительных доказательств, является

Теорема о медианах треугольника. Медианы , В и С треугольника ABC пересекаются в некоторой точке М, причем каждая из них делится этой точкой в отношении 2:1, считая от вершины: AM:M=BM:M=CM:M=2.(1)

Во всех приводимых далее доказательствах, кроме шестого, мы устанавливаем только, что медиана В проходит через точку М, которая делит медиану А в отношении 2:1. Если в соответствующем рассуждении заменить отрезок В на отрезок С, то мы получим, что и С проходит через М. Этим будет доказано, что все три медианы пересекаются в некоторой точке М, причем АМ:М - 2. Поскольку все медианы равноправны, можно заменить А на В или СС₁ отсюда вытекает (1).

Первое доказательство (8 класс).

Пусть К - середина отрезка AM, В' - точка пересечения прямой ВМ со стороной АС. Нам достаточно доказать, что АВ' = В'С. Через точки К и  параллельно прямой ВМ проведем отрезки KL и N (рис. 1). Поскольку АК - КМ = М и С=В, по теореме Фалеса получаем

AL=LB' = B'N=;NC.

АВ'=В'С.

 

Второе доказательство(8 класс).

Рассмотрим гомотетию с центром М и коэффициентом -1/2. Точка А переходит при этой гомотетии в . Пусть В переходит в В' (рис. 2). Тогда  = -  АВ. С другой стороны, средняя линия  получается из стороны ВА при гомотетии с центром С и коэффициентом 1/2; таким образом:

=

Итак, , следовательно, В'=. Таким образом, треугольники ABC и  гомотетичны, причем центр гомотетии лежит в точке М. По определению гомотетии, точки В, М и В' = лежат на одной прямой.

Третье доказательство(9 класс).

Рассмотрим треугольники MAC и МС (рис. 3). Их высоты, опущенные из вершины С, совпадают, а длины противолежащих этой вершине сторон относятся как 2:1, поэтому , где S обозначает площадь. Аналогично, . Но . Следовательно,

. Таким образом, треугольники МАВ, МВС и МСА равновелики. Пусть В' - точка пересечения прямых ВМ и АС. Докажем, что АВ' = В'С. С одной стороны,

С другой стороны,

.

Пользуясь теоремой

,

отсюда получаем

 

.

Четвертое доказательство (9 класс).

ВМ= ВС + СА+АМ=ВС + СА+

 

Следовательно, точка М лежит на медиане .

Пятое доказательство (9 класс).

Опять рассмотрим точку В' пересечения прямых ВМ и АС (рис. 3). Применяя теорему синусов сначала к треугольникам АВ'В и СВ'В, а затем - к треугольникам АВМ и ВМ и учитывая, что sin AB'B= sin CB'B, sin AMB= = sinMB, BC=2B и МА =2M, получим

.

Шестое доказательство(10 класс).

Проведем через точки А и В плоскость а, не содержащую С, и построим в этой плоскости правильный треугольник ABC (рис. 5). Из общих свойств параллельной проекции следует, что параллельная проекция вдоль прямой С переводит треугольникАВС в треугольник АВ, причем медианы треугольника ABC проектируются в медианы треугольника AB. Но в правильном треугольнике медианы являются и биссектрисами, а следовательно, пересекаются в одной точке. Легко доказать также (докажите!), что для треугольника AB справедливы равенства (1).

Отсюда вытекает, что наша теорема верна и для треугольника АВС.

Упомянем еще одно, быть может, самое простое и естественное доказательство теоремы о медианах: если поместить в вершины треугольника равные массы и поочередно группировать их парами, мы получим, что центр всех трех масс лежит на каждой из медиан. Центр системы равных масс, помещенных в некоторые точки, называется центроидом этого набора точек, поэтому и точку пересечения медиан треугольника часто называют его центроидом.

Заключение

 

Исходя из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Одну теорему можно доказать разными способами. Это гораздо полезнее. Ведь ее можно изучить с разных сторон, используя различные методы и темы курса 8-10 классов.

2. Медиана была изучена многими учеными, но особый вклад в ее развитие внес немецкий ученый Г. Лейбниц. Он обнаружил замечательный факт: сумма квадратов расстояний от произвольной точки плоскости до вершин треугольника, лежащего в этой плоскости, равняется сумме квадратов расстояний от точки пересечения медиан до его вершин, сложенной с утроенным квадратом расстояния от точки пересечения медиан до выбранной точки.

Из этой теоремы следует, что точка на плоскости для которой сумма квадратов расстояний до вершин данного треугольника является минимальной, - это точка пересечения медиан этого треугольника.

3. Медианы используются не только в геометрии, но и в физике, и в статической математике. Для вычисления среднего арифметического и др.

Список использованных источников и литературы

 

1.      И.Л. Никольская. Факультативный курс по математике. Учебное пособие для 7-9 классов средней школы. Москва “Просвещение” 1991 г. с. 92-93.

2.      Т.Л. Рыбакова, И.В. Суслова. Школьный справочник “МАТЕМАТИКА”. Ярославль “Академия развития” 1997 г. с. 113.

3.      Ежемесячный научно-популярный физико-математический журнал Академии наук СССР и Академии педагогических наук литературы. “ Квант № 7 1990 г. с. 40.

4.      Ежемесячный научно-популярный физико-математический журнал Академии наук СССР и Академии педагогических наук литературы. “ Квант № 1 1990 г. с. 54.

Приложение

 

1.         Докажите, что точка пересечения диагоналей трапеции, точка пересечения продолжений ее боковых сторон и середины оснований лежат на одной прямой. Вывести отсюда теорему о медианах.

2.         Дан треугольник ABC. Укажите все такие точки P, что S_PAB= S_PBC =S_PCA.

3.         Каждая из вершин пятиугольника соединена с серединой противолежащей стороны. Докажите, что если четыре из полученных прямых пересекаются в одной точке, то и пятая прямая проходит через эту точку.

4.         Через каждое из ребер трехгранного угла и биссектрису противоположного плоского угла проведена плоскость. Докажите, что три полученные плоскости имеют общую прямую.

5.         Точки A₁, B₁, C₁ лежат соответственно на сторонах BC, CA и AB треугольника ABC. Известно, что отрезки AA₁, BB₁, CC₁ пересекаются в точке P, причем

Докажите, что P - центроид треугольника ABC.