Maths Olympiad Prep

Library / /2 of 26

Geometry Difficulty 5.5 AIME, harder Prove it Russia

Can the 4 incenters of the 4 faces of some tetrahedron be coplanar?

Могут ли 4 центра вписанных в грани тетраэдра окружностей лежать в одной плоскости?

Solution

Ответ. Не могут.

Пусть IA,IB,IC,IDI_A, I_B, I_C, I_D — центры вписанных окружностей треугольников BCD,ACD,ABD,ABCBCD, ACD, ABD, ABC соответственно. Предположим, что они лежат в одной плоскости. Тогда либо они образуют выпуклый четырёхугольник, либо одна из этих точек лежит в треугольнике, образованном тремя другими.

Случай 1. Пусть без ограничения общности IAIBICIDI_A I_B I_C I_D — выпуклый четырёхугольник: тогда отрезки IAICI_A I_C и IBIDI_B I_D пересекаются. Обозначим через M,N,K,LM, N, K, L середины рёбер AB,AD,CD,BCAB, AD, CD, BC соответственно (см. рис. 24).

Figure 1

Рассмотрим треугольник ABCABC. Проведём через точку BB прямую \ell, параллельную ACAC; тогда вписанная окружность этого треугольника лежит между прямыми \ell и ACAC, касаясь ACAC, но не касаясь \ell. Это значит, что точки IDI_D и BB лежат по разные стороны от средней линии MLML (см. рис. 25).

Figure 2

Аналогично получаем, что точки IBI_B и IDI_D окажутся по одну сторону от плоскости MNKLMNKL, а точки IAI_A и ICI_C — по другую. Но тогда отрезки IBIDI_B I_D и IAICI_A I_C не могут пересекаться — противоречие.

Случай 2. Осталось показать, что точка IAI_A не может лежать в треугольнике IBICIDI_B I_C I_D. Это следует из того, что точки IB,IC,IDI_B, I_C, I_D лежат строго по одну сторону от плоскости BCDBCD, а точка IAI_A — в этой плоскости.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.