Maths Olympiad Prep

Library / /12 of 25

Geometry Difficulty 6.3 National olympiad Prove it Russia

Let ω\omega and Ω\Omega be the incircle and the circumcircle of an equilateral triangle ABCABC, respectively. Points PP and QQ are chosen on the sides ACAC and ABAB, respectively, so that the segment PQPQ contains the center of the triangle ABCABC. Circles Ωb\Omega_b and Ωc\Omega_c have diameters BPBP and CQCQ, respectively. Prove that the circles Ωb\Omega_b and Ωc\Omega_c meet at two points one of which lies on ω\omega and the other one lies on Ω\Omega.

Пусть ω\omega и Ω\Omega — вписанная и описанная окружности правильного треугольника ABCABC соответственно. Точки PP и QQ выбраны на сторонах ACAC и ABAB так, что отрезок PQPQ содержит центр треугольника ABCABC. Окружности Ωb\Omega_b и Ωc\Omega_c построены на диаметрах BPBP и CQCQ соответственно. Докажите, что окружности Ωb\Omega_b и Ωc\Omega_c пересекаются в двух точках, одна из которых лежит на ω\omega, а другая — на Ω\Omega.

Solutions — 2

Solution 1

Let OO be the center of ABCABC, and B1B_1 and C1C_1 be the midpoints of the lesser arcs ACAC and ABAB of Ω\Omega, respectively. Then the triangles OPB1OPB_1 and OQC1OQC_1 are isosceles (see Fig. 8). Next, the rays B1PB_1P and C1QC_1Q meet at a point B=CB' = C' on Ω\Omega which is one of the common points of Ωb\Omega_b and Ωc\Omega_c. Let the extension of BOB'O beyond OO meet ω\omega at a point XX; then BOXO=BOB2OB'O \cdot XO = BO \cdot B_2O, where B2B_2 is the tangency point of ω\omega with ACAC (lying on Ωb\Omega_b). Thus XX lies on Ωb\Omega_b and, similarly, on Ωc\Omega_c.

Solution 2

Пусть OO — центр треугольника ABCABC. Обозначим через B2B_2 и C2C_2 точки касания ω\omega с ACAC и ABAB соответственно, а через B1B_1 и C1C_1 — середины меньших дуг ACAC и ABAB описанной окружности Ω\Omega (см. рис. 8). Тогда точки B1B_1 и C1C_1 симметричны: OB1P=B1OP\angle OB_1P = \angle B_1OP и OC1Q=C1OQ\angle OC_1Q = \angle C_1OQ.

Пусть лучи B1PB_1P и C1QC_1Q пересекают Ω\Omega в точках BB' и CC'. BB' лежит на Ωb\Omega_b, аналогично, CC' лежит на Ωc\Omega_c. С другой стороны, BB+CC=2(BB1B+CC1C)=2(B1OP+C1OQ)=2(180B1OC1)=120=BCBB' + CC' = 2(\angle BB_1B' + \angle CC_1C') = 2(\angle B_1OP + \angle C_1OQ) = 2(180^\circ - \angle B_1OC_1) = 120^\circ = BC; это означает, что точки BB' и CC' совпадают. Итак, Ωb\Omega_b и Ωc\Omega_c пересекаются в точке BB', лежащей на Ω\Omega.

Поскольку BB2P=CC2Q=90\angle BB_2P = \angle CC_2Q = 90^\circ, точки B2B_2 и C2C_2 лежат на Ωb\Omega_b и Ωc\Omega_c соответственно. Пусть продолжение отрезка BOB'O за OO пересекает ω\omega в точке XX. Тогда OBOB2=OBOX=OCOC2OB \cdot OB_2 = OB' \cdot OX = OC \cdot OC_2. Первое из этих равенств означает, что точки B,B2,BB, B_2, B' и XX лежат на одной окружности, то есть XX лежит на окружности Ωb\Omega_b.

Аналогично, из второго равенства следует, что XX лежит на Ωc\Omega_c. Значит, XX и является второй точкой пересечения Ωb\Omega_b и Ωc\Omega_c, лежащей на ω\omega.

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.