М1737. Параллелограмм в окружности

Задача из журнала «Квант» (2000 год, 4 выпуск)

Условие

Хорды $AC$ и $BD$ окружности с центром $O$ пересекаются в точке $K$ (рис.$1$). Точки $M$, $N$ — центры окружностей, описанных около треугольников $AKB$ и $CKD$. Докажите, что $OMKN$ — параллелограмм.

А.Заславский

<12>Решение

Пусть $X$ — середина $KB$ (рис.$2$). Тогда $\angle KMX=\displaystyle\frac{1}{2}\angle KMB=\angle KAB=\angle KDC$. Поскольку $MX\bot BD$, то $KM\bot CD$. Так как при этом $ON\bot CD$, то $ON\|KM$. Аналогично, $OM\|KN$. Если точки $O$, $K$, $M$, $N$ не лежат на одной прямой, то $OMKN$ — параллелограмм и $OM=KN$. В противном случае рассмотрим ортогональные проекции отрезков $OM$ и $KN$ на $AC$. Так как точки   $O$, $M$, $N$ проектируются в середины отрезков $AC$, $AK$ и $KC$ соответственно, то проекции обоих параллельных отрезков равны $\displaystyle\frac{KC}{2}$, следовательно, равны и длины самих отрезков.

M447. Задача об остроугольном треугольнике

Задача из журнала «Квант»(1977, №6)

Условие

В остроугольном треугольнике $ABC$ отрезки $BO$ и $CO$ (где $O$ — центр описанной окружности) продолжены до пересечения в точках $D$ и $E$ со сторонами $AC$ и $BC$ треугольника. Оказалось, что $\widehat{BDE}=50^{\circ}$, а $\widehat{CED}=30^{\circ}$. Найдите величины углов треугольника $ABC$ и докажите равенства $\left | AE \right |=\left | ED \right |$, $\left | CE \right |=\left | CB \right |$, $\left | CD \right |=\left | CO \right |$.

Решение

Величина угла $A$ находится легко (см. рис. 1): поскольку $\widehat{BOC}=\widehat{EOD}=180^{\circ}-30^{\circ}-50^{\circ}=100^{\circ}$, величина вписанного угла $A=50^{\circ}$. Заметим также, что $\widehat{OBC}=\widehat{OCB}=40^{\circ}$ (поскольку $\left | BO \right |=\left | CO \right |$).

Рис. 1

Рис. 1

Найти величины других углов треугольника $ABC$ можно с помощью теоремы синусов. Положим $\widehat{EBD}=\varphi $. Тогда $\widehat{OEB}=100^{\circ}-\varphi $, $\widehat{ABC}=\varphi +40^{\circ}$, $\widehat{ACB}=90^{\circ}-\varphi $, $\widehat{OCD}=50^{\circ}-\varphi $, $\widehat{ODC}=\varphi +50^{\circ}$; таким образом, $0^{\circ}< \varphi < 50^{\circ}$. Из треугольников $ODE, OBE$ и $OCD$ находим: $$\frac{\sin 50^{\circ}}{\sin 30^{\circ}}=\frac{\left | OE \right |}{\left | OD \right |}=\frac{\left | OE \right |}{\left | OB \right |}\cdot \frac{\left | OE \right |}{\left | OD \right |}=$$ $$=\frac{\sin \widehat{OBE}}{\sin \widehat{OEB}}\cdot \frac{\sin \widehat{ODC}}{\sin \widehat{OCD}}=\frac{\sin \varphi \sin \left ( \varphi +50^{\circ} \right )}{\sin \left ( 100^{\circ} -\varphi \right )\sin \left ( 50^{\circ}-\varphi \right )} .$$ Уравнение, из которого мы должны найти $\varphi \left ( 0^{\circ} < \varphi < 50^{\circ}\right )$: $$\frac{\sin \varphi \sin \left ( \varphi +50^{\circ} \right )}{\sin \left ( 100^{\circ} -\varphi \right )\sin \left ( 50^{\circ}-\varphi \right )} = 2\sin 50^{\circ},$$ эквивалентно следующим: $$2\sin 50^{\circ}\left ( \cos 50^{\circ} -\cos \left ( 150^{\circ} -2\varphi \right ) \right ) =\cos 50^{\circ}-\cos \left ( 50^{\circ}+2\varphi \right ),$$ $$\sin 20^{\circ}-\sin\left ( 2\varphi -40^{\circ} \right )+2\sin 50^{\circ}\cos \left ( 2\varphi +30^{\circ} \right )=0,$$ $$\cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )\sin \left ( 30^{\circ}-\varphi \right )+\sin 50^{\circ}\sin \left ( 60^{\circ}-2\varphi \right )=0,$$ $$\sin\left ( 30^{\circ} -\varphi \right )\left ( \cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )+2\sin 50^{\circ}\cos \left ( 30^{\circ}-\varphi \right ) \right )=0.$$ Поскольку $\cos \left ( \varphi -10^{\circ} \right )$ и $\cos \left ( \varphi -30^{\circ} \right )$ положительны при $0^{\circ}< \varphi < 50^{\circ}$, последнее уравнение имеет единственный корень $\varphi =30^{\circ}$.

Отсюда $\widehat{ABC}=70^{\circ}$, $\widehat{ACB}=60^{\circ}$/

Далее, $\widehat{BEC}=70^{\circ}\Rightarrow \left | CE \right |=\left | CB \right |;$ $$\widehat{ODC}=80^{\circ}\Rightarrow \left | CD \right |=\left | CO \right |;~\widehat{ADE}=50^{\circ}\Rightarrow \left | EA \right |=\left | ED \right |.$$

Равенства длин, которые требуется установить в задаче, подсказывают, какие углы должен иметь треугольник $ABC$. Но даже зная ответ, придумать данное выше тригонометрическое решение трудно. Вместо этого можно рассуждать иначе.

Рис. 2

Рис. 2

Заметим прежде всего, что условия $\widehat{OED}=30^{\circ}, \widehat{ODE}=50^{\circ}$ определяют ответ однозначно. Действительно (рис. 2), если на окружности с центром $O$ закрепить точки $B$ и $C$ так, что $\widehat{BOC}=100^{\circ}$, и перемещать точку $A$ по дуге ${B}'{C}’$ (симметричной дуге $BC$) от точки ${B}’$ к точке ${C}’$, то точка $D\in \left [ {B}’O \right ]$ будет приближаться к $O$, а $E\in \left [ O{C}’\right ]$ — удаляться от $O$; при этом величина угла $\widehat{ODE}$ будет возрастать, а угла $\widehat{OED}$ — убывать; значит, только при одном положении $A$ эти величины могут принять нужные значения ($50^{\circ}$ и $30^{\circ}$).

Рис. 3

Рис. 3

Теперь нужно лишь доказать, что треугольник с углами $\widehat{A}=50^{\circ}$, $\widehat{B}=70^{\circ}$, $\widehat{C}=60^{\circ}$ удовлетворяют условию, то есть что все углы — такие, как указано на рисунке 3:

  1. Достаточно проверить, что $DE$ — биссектриса угла $ADB$: $$\frac{\left | AE \right |}{\left | EB \right |}=\frac{\left | AE \right |}{\left | EC \right |}=\frac{\left | EC \right |}{\left | EB \right |}=\frac{\sin 20^{\circ}\sin 70^{\circ}}{\sin 50^{\circ}\sin 40^{\circ}}=$$ $$\frac{2\sin 20^{\circ}\cos 20^{\circ}}{2\sin 50^{\circ}\sin 40^{\circ}}=\frac{\sin 30^{\circ}}{\sin 50^{\circ}}=\frac{\left | AD \right |}{\left | DB \right |}.$$
    Здесь мы снова используем теорему синусов. А вот чисто геометрическое доказательство.
  2. Рис. 4

    Рис. 4

  3. Треугольник $ECB$ имеет ось симметрии, поскольку $\widehat{CEB}=\widehat{CBE}$. Пусть $K$ — точка, симметричная точке $O$ относительно этой оси (рис. 4). Тогда треугольник $KCD$ равносторонний ($\left | KC \right |=\left | OC \right |=\left | DC \right |=a,~\widehat{KCD}=60^{\circ}$), и потому $\left | KD \right |=a,~\widehat{DKC}=\widehat{KDC}=60^{\circ}$, а $\bigtriangleup KBE\cong \bigtriangleup OEB$, и потому $
    \widehat{BEK}=30^{\circ},~\widehat{EKB}=80^{\circ},~\left | EK \right |=\left | OB \right |=a$. Итак, треугольник $EKD$ равнобедренный, $\widehat{EKD}=40^{\circ}$, поэтому $\widehat{KED}=\widehat{KDE}=70^{\circ},$ $\widehat{ODE}=70^{\circ}- \widehat{ODK}=70^{\circ}-\left ( 80^{\circ} -60^{\circ}\right )=50^{\circ},$ $\widehat{OED}=70^{\circ}-40^{\circ}=30^{\circ}.$

Н. Васильев,
Я. Суконник

M1481. О биссектрисах вписанного треугольника

Квант_1Задача из журнала «Квант» (1995 №2)

Условие

В треугольнике ABC проведена биссектриса AK, D — точка пересечения биссектрисы внешнего угла при вершине B с описанной окружностью. Докажите, что если \angle A> \angle C, то

\sin A / \sin C- \sin \angle CDK/ \sin \angle BDK=1.

Доказательство

Пусть углы A, B, C треугольника равны 2\alpha, 2\beta, 2\gamma соответственно. Биссектриса внутреннего угла B пересекает дугу AC описанной окружности в точке L, диаметрально противоположной D(рис. 1).

Рис. 1

Положим \angle CBD=\delta, \angle BCD=\varepsilon. Используя теорему синусов(для \vartriangle DBK и \vartriangle CDK), теорему о биссектрисе треугольника (BK/KC = AB/AC = \sin 2\gamma / \sin 2\beta) и формулу

2 \sin \varphi \cos\psi = \sin(\varphi + \psi) - \sin(\psi - \varphi),

получаем

\frac{\sin \angle CDK}{\sin \angle BDK} = \frac{KC \sin \varepsilon}{KB \sin \delta} = \frac{ \sin 2\beta \cdot \sin \frac{\pi - 4\gamma - 2\beta}{2}}{\sin 2\gamma \cdot \sin \frac{\pi - 2\beta}{2}} =

\frac{2 \sin \beta \cos \beta \cos(2\gamma + \beta)}{\sin2\gamma \cos \beta} = \frac{\sin(2\beta + 2\gamma)}{\sin2\gamma} - 1 = \frac{\sin2\alpha}{\sin2\gamma} - 1

что и требовалось доказать.

Замечание

Если \angle A< \angle C (как на рисунке 2), то меняется лишь знак в формуле

\sin \varepsilon = \sin(2\gamma + \beta - \pi /2)= - \cos (2\gamma + \beta)

а \sin \delta по-прежнемe равен \sin( \beta + \pi /2) = \cos \beta, так что равенство в условии принимает вид

\frac{\sin A}{\sin C} + \frac{\sin \angle CDK}{\sin \angle BDK} = 1

Рис. 2

Тест 2016

Рабочее тестирование плагина в 2016 году