ВсОШ 2024, 11 класс, задача 4

Четырёхугольник , в котором нет параллельных сторон, вписан в окружность . Через вершину проведена прямая , через вершину - прямая , через вершину - прямая , через вершину - прямая . Четырёхугольник, последовательные стороны которого лежат на этих четырёх прямых (именно в этом порядке), вписан в окружность . Окружности и пересекаются в точках и . Докажите, что прямые , и пересекаются в одной точке. (А. Кузнецов)

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Первое решение. Без ограничения общности можно считать, что лучи и ; и пересекаются. Пусть отрезки и пересекаются в точке , а также - четырёхугольник, образованный прямыми , , , (см. рис. 8). Также обозначим через пересечение и , через - пересечение и .

Рисунок 8 к решению задачи 11.4

Пусть . Из вписанности четырёхугольника и условий , имеем:

.

Значит, во-первых, точки , , , лежат на одной окружности, обозначим её ; во-вторых, точки , , , лежат на одной окружности, обозначим её ; в-третьих, точки , , , лежат на одной окружности, обозначим её . Заметим, что точка - радикальный центр окружностей , , (поскольку она лежит на прямых и ); точка - радикальный центр окружностей , , (так как она лежит на прямых и ). Таким образом, - радикальная ось окружностей и ; - радикальная ось окружностей и ; - радикальная ось окружностей и , поэтому эти три прямые пересекаются в одной точке, что и требовалось доказать.

Второе решение. Введём обозначения как в первом решении. Для точки плоскости обозначим через разность степеней точки относительно окружностей и . Поскольку - радикальная ось окружностей и , то достаточно доказать, что . Кроме того, легко видеть, что и (см. рис. 9).

Рисунок 9 к решению задачи 11.4

Заметим, что функция - линейная, то есть для точки на отрезке выполнено равенство

.

Мы докажем это утверждение позднее. Пока, применив его для точек , , , мы получим, что

.

Таким образом, достаточно доказать, что

.

Заметим, что

(последнее равенство следует из того, что ; через мы обозначаем расстояние от точки до прямой ). Следовательно, равенство переписывается в виде:

.

Из вписанности четырёхугольника и данных в условии параллельностей прямых следуют равенства углов:

;

и .

Таким образом, и , а также и подобны по двум углам. Из подобия получаем равенства отношений

и ,

остаётся лишь перемножить эти равенства.

Вернёмся к доказательству линейности функции . Введём декартовы координаты таким образом, чтобы центры окружностей и лежали на оси абсцисс, пусть их координаты будут и , а радиусы окружностей - и . Тогда для произвольной точки с координатами по определению степени точки мы получаем, что

,

где и - две константы. Если точка лежит на отрезке и , - координаты точек и по оси абсцисс, то

,

откуда немедленно следует .

Замечание 1. Линейная функция в произвольным образом введённых декартовых координатах имеет вид . Если она отлична от константы, то решением уравнения будет прямая. Например, таким образом (рассуждая как в приведённом решении) доказывается, что радикальная ось двух окружностей - это прямая, перпендикулярная линии центров.

Замечание 2. Приведём план решения задачи с помощью комплексных чисел. Пусть окружность - стандартная единичная, координаты точек , , , обозначаются соответственно , , , . Рассмотрим прямые (точнее, уравнения прямых) , - это соответствующие диагонали , . Прямая через точку параллельно имеет уравнение , аналогично три другие прямые из условия. Окружность , проходящая через точки их пересечения, имеет уравнение : с одной стороны, точки пересечения удовлетворяют условию , с другой стороны, коэффициенты при и сокращаются, так что это именно окружность.

Радикальная ось окружностей и имеет уравнение , где - подходящий коэффициент, чтобы получилась прямая (он нам не будет важен в дальнейшем). Докажем, что для некоторых коэффициентов , имеет место тождество (A), из этого будет следовать требуемое. Тождество (A) достаточно проверять, когда - одна из вершин четырёхугольника , потому что на одной прямой они не лежат. Подставляя, например, , получаем тождество . Это даёт значение , и оно должно быть согласовано со значением, которое получается для , то есть должно выполняться тождество

,

и второе аналогичное. Все эти значения считаются непосредственно (и раскладываются на множители, например, ), после чего не составляет труда доказать нужное тождество.

Похожие задачи

ВсОШ 2021, 10 класс, задача 6

Дан многочлен P(x) степени n>1 с вещественными коэффициентами. Известно, что уравнение P(P(P(x)))=P(x) имеет ровно n3 различных вещественных корней. Докажите, что эти n3 корней можно разбить на две группы с равными средними арифметическими. (А. Кузнецов)

ВсОШ 2019, 10 класс, задача 4

Дан остроугольный треугольник ABC, в котором AC1 и B1 соответственно. Описанные окружности треугольников ABC и A1B1C пересекаются повторно в точке P. Отрезки AB1 и BA1 пересекаются в точке S. Точки Q и R симметричны S относительно прямых C

ВсОШ 2025, 10 класс, задача 8

На периметре треугольника ABC выбраны точки D1, D2, E1, E2, F1, F2 так, что при обходе периметра точки встречаются в порядке A, F1, F2, B, D1, D2, C, E1, E2. Оказалось,

ВсОШ 2019, 11 класс, задача 3

Даны n монет попарно различных масс и n чашечных весов, n>2. При каждом взвешивании разрешается выбрать какие-то одни весы, положить на их чаши по одной монете, посмотреть на показания весов и затем снять монеты обратно. Какие-то одни из весов (неизвестно, какие) испорчены и могут выдавать случайным