Ответ на вопрос
Кратко и по делу. Обозначения: стороны противоположные вершинам \(A,B,C\) равны \(a=BC,\; b=CA,\; c=AB\). Под «семейством» понимаются три цевианы: внутренние биссектрисы, медианы, высоты (по одной из каждой вершины).
1) Тривиальные пересечения.
- В каждой вершине, например в \(A\), встречаются биссектриса из \(A\), медиана из \(A\) и высота из \(A\) (точка пересечения — сама вершина). Это три тривиальных тройных пересечения (вершины).
- Если треугольник равнобедренный, скажем \(b=c\), то из вершины \(A\) медиана, высота и биссектриса совпадают как одна и та же прямая; тогда любые точки на этой прямой лежат одновременно на выбранной медиане, высоте и биссектрисе (т.е. линии совпадают). В особом случае равностороннего треугольника \(a=b=c\) все три семейства совпадают и «многочисленные» совпадения.
2) Общая схема для нетривиальных (внутренних или внешних) трёхкратных пересечений.
Возьмём три цевианы, одну из каждого семейства, исходящие из трёх (возможно разных) вершин: например медиана из \(A\), высота из \(B\), биссектриса из \(C\). Они пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда выполняется теорема Чева (для направленных отрезков) с соответствующими отношениями деления сторон.
Нужная формула для отношения деления, используемая ниже:
- медиана из \(A\) делит \(BC\) в отношении \(1:1\);
- биссектриса из \(C\), пересекающая \(AB\) в точке \(X\), даёт \(\dfrac{AX}{XB}=\dfrac{AC}{BC}=\dfrac{b}{a}\);
- высота из \(B\), пересекающая \(AC\) в точке \(H_B\), даёт
\[
\frac{AH_B}{H_BC}=\frac{b^2+c^2-a^2}{a^2+b^2-c^2},
\]
потому что \(AH_B=AB\cos\angle BAC=c\cos A\) и т.п., откуда приведённая дробь.
Для выбранного набора «медиана из \(A\), высота из \(B\), биссектриса из \(C\)» условие Чева даёт необходимое и достаточное равенство
\[
1\cdot\frac{b^2+c^2-a^2}{a^2+b^2-c^2}\cdot\frac{b}{a}=1,
\]
т.е.
\[
\frac{b^2+c^2-a^2}{a^2+b^2-c^2}=\frac{a}{b}.
\]
Это условие является и необходимым, и достаточным для того, чтобы именно эти три цевианы имели общую точку (включая случай, когда точка может быть вне отрезков сторон — тогда используются направленные отрезки и Чева в общем виде).
3) Перечисление всех возможных типов трёхкратных пересечений.
- Совпадение в вершинах (см. п.1) — всегда.
- Совпадение целых цевиан (из одной вершины) — при соответствующей симметрии (равнобедренность, равносторонность).
- Конкурентность трёх цевиан из трёх разных вершин (одна медиана, одна высота, одна биссектриса): она возможна тогда и только тогда, когда для выбранной перестановки вершин выполнено Чева-условие, которое сводится к равенству, аналогичному приведённому выше. Для каждой из шести возможных комбинаций (медиана из одной вершины, высота из второй, биссектриса из третьей) получаем своё условие (получается три неэквивалентных уравнения с циклической перестановкой \(a,b,c\)).
4) Частные замечания и следствия.
- Если совпадают два «центра» (напр., центроид и инцентр или ортоцентр и инцентр), то треугольник обязателен равносторонний. В частности, условие «все три семейства пересекаются в одной точке» (т.е. существует точка, лежащая одновременно на некоторой медиане, некоторой высоте и некоторой биссектрисе, причём эти три цевианы являются соответственно одной из трех из каждой вершины так, что это одна и та же геометрическая «центральная» точка для всех семейств) в смысле совпадения центров (центроид = инцентр = ортоцентр) достигается лишь при \(a=b=c\).
- При острых/тупых треугольниках формулы работают с направленными отрезками; положение точки (внутри треугольника или вне) определяется знаками отношений, но Чева остаётся критерием.
5) Резюме (необходимые и достаточные условия).
- Три выбранные цевианы (медиана из данной вершины, высота из данной вершины, биссектриса из данной вершины) пересекаются в одной точке тогда и только тогда, когда соответствующие отношения деления сторон удовлетворяют теореме Чева. Для конкретной комбинации «медиана из \(A\), высота из \(B\), биссектриса из \(C\)» это эквивалентно
\[
\frac{b^2+c^2-a^2}{a^2+b^2-c^2}=\frac{a}{b}.
\]
Аналогичные условия получаются циклически при смене ролей \(A,B,C\).
(Доказательство — применение формулы деления сторон для высоты и биссектрисы + теорема Чева; особые случаи \(b=c\) и \(a=b=c\) рассмотрены отдельно.)
Еще