Maths Olympiad Prep

Library / /35 of 57

Geometry Difficulty 7.0 National olympiad Prove it Russia

The medians AMAAM_A, BMBBM_B, and CMCCM_C of a triangle ABCABC meet at MM. Construct a circle ΩA\Omega_A passing through the midpoint of AMAM and tangent to BCBC at MAM_A. Construct the circles ΩB\Omega_B and ΩC\Omega_C similarly. Prove that the circles ΩA\Omega_A, ΩB\Omega_B, and ΩC\Omega_C share a common point.

В треугольнике ABCABC медианы AMA,BMBAM_A, BM_B и CMCCM_C пересекаются в точке MM. Построим окружность ΩA\Omega_A, проходящую через середину отрезка AMAM и касающуюся отрезка BCBC в точке MAM_A. Аналогично строятся окружности ΩB\Omega_B и ΩC\Omega_C. Докажите, что окружности ΩA,ΩB\Omega_A, \Omega_B и ΩC\Omega_C имеют общую точку.

Solution

Let KAK_A, KBK_B, and KCK_C be the midpoints of the segments AMAM, BMBM, and CMCM, respectively (see Fig. 24). By angle chasing, one sees that the circles MKAKBMBMK_AK_BM_B, MBKCMAM_BK_CM_A, and MAKBMCMAK_BM_C are concurrent at some point XX. This point belongs to the circles ΩA\Omega_A, ΩB\Omega_B, and ΩC\Omega_C: for example, one sees that XΩBX \in \Omega_B from
(KBX,XMB)=(KBX,XMC)+(MCX,XMB)==(KBMA,MAMC)+(MCKA,KAMB)==(MC,CA)+(BM,MC)=(BM,CA)=(KBMB,AC). \begin{aligned} \angle(K_BX, XM_B) &= \angle(K_BX, XM_C) + \angle(M_CX, XM_B) = \\ &= \angle(K_BM_A, M_A M_C) + \angle(M_C K_A, K_A M_B) = \\ &= \angle(MC, CA) + \angle(BM, MC) = \angle(BM, CA) = \angle(K_B M_B, AC). \end{aligned}

Лемма. Пусть на сторонах треугольника ABCABC во внешнюю сторону построены треугольники A1BC,AB1CA_1BC, AB_1C и ABC1ABC_1 так, что сумма их углов при вершинах A1,B1A_1, B_1 и C1C_1 кратна 180180^\circ. Тогда окружности, описанные около треугольников A1BC,AB1CA_1BC, AB_1C и ABC1ABC_1, пересекаются в одной точке.
Доказательство. Пусть окружности, описанные около треугольников A1BCA_1BC и ABC1ABC_1, вторично пересекаются в точке

(AX,XC)=(AX,XB)+(BX,XC)==(AC1,C1B)+(BA1,A1C)=(AB1,B1C). \angle(AX, XC) = \angle(AX, XB) + \angle(BX, XC) = \\ = \angle(AC_1, C_1B) + \angle(BA_1, A_1C) = \angle(AB_1, B_1C).
Это означает, что XX лежит на окружности, описанной около треугольника AB1CAB_1C, что и требовалось. \square

Figure 1
Рис. 23

Пусть KA,KBK_A, K_B и KCK_C — середины отрезков AM,BMAM, BM и CMCM соответственно (см. рис. 24). Тогда MKCKBMA=AMCMK_CK_BM_A = \angle AMC. Аналогично, MKCKAMB=BMC\angle MK_CK_A M_B = \angle BMC и MAKCMB=BMA\angle M_A K_C M_B = \angle BMA; значит, MKCKAMB+MBKCMA+MAKBMC=360\angle MK_CK_A M_B + \angle M_B K_C M_A + \angle M_A K_B M_C = 360^\circ.
Согласно лемме, окружности, описанные около треугольников MKCKAMB,MBKCMAMK_CK_A M_B, M_BK_C M_A и MAKBMCM_A K_B M_C, имеют общую точку XX. Из этих окружностей имеем
(KBX,XMB)=(KBX,XMC)+(MCX,XMB)==(KBMA,MAMC)+(MCKA,KAMB)==(MC,CA)+(BM,MC)=(BM,CA)=(KBMB,AC). \begin{align*} \angle(K_BX, XM_B) &= \angle(K_BX, XM_C) + \angle(M_CX, XM_B) = \\ &= \angle(K_BM_A, M_A M_C) + \angle(M_C K_A, K_A M_B) = \\ &= \angle(MC, CA) + \angle(BM, MC) = \angle(BM, CA) = \angle(K_B M_B, AC). \end{align*}
Это равенство означает, что окружность ΩB\Omega_B проходит через точку XX. Аналогично, через XX проходят окружности ΩA\Omega_A и ΩC\Omega_C.

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.