Maths Olympiad Prep

Library / /37 of 57

Geometry Difficulty 7.0 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Let ω\omega be the incircle of a triangle ABCABC (with AB<ACAB < AC). Let the excircle ωA\omega_A touch the side BCBC at AA'. A variable point XX is chosen on the segment AAAA' so that the segment AXA'X has no common points with ω\omega. The tangents to ω\omega passing through XX meet the side BCBC at YY and ZZ. Prove that the sum XY+XZXY + XZ does not depend on the choice of XX. (I. Mitrofanov)

Окружность ω\omega вписана в треугольник ABCABC, в котором AB<ACAB < AC. Вневписанная окружность этого треугольника касается стороны BCBC в точке AA'. Точка XX выбирается на отрезке AAA'A так, что отрезок AXA'X не пересекает ω\omega. Касательные, проведённые из XX к ω\omega, пересекают отрезок BCBC в точках YY и ZZ. Докажите, что сумма XY+XZXY + XZ не зависит от выбора точки XX.

Solution

Let ω\omega touch BCBC at AA''. We assume that AY<AZA''Y < A''Z. Let ω\omega' be the excircle of the triangle XYZXYZ touching the side XZXZ, and let TT be the meeting point of ω\omega and AAAA' closest to AA; the tangent at TT to ω\omega is parallel to BCBC. The homothety centered at XX mapping ω\omega to ω\omega' maps TT to AABC=AAA' \cap BC = A'. Therefore, XY+XZ=AAXY + XZ = A'A'' which does not depend on XX.

Будем считать, что точка YY лежит ближе к точке BB, нежели ZZ; кроме того, считаем, что сторона BCBC горизонтальна, а AA лежит выше неё (см. рис. 15).

Figure 1

Обозначим через ωA\omega_A вневписанную окружность треугольника ABCABC, касающуюся стороны BCBC, а через ω\omega' — вневписанную окружность треугольника XYZXYZ, касающуюся стороны XZXZ.

Пусть ω\omega касается BCBC в точке AA''. Обозначим через TT точку пересечения AAAA' и ω\omega, лежащую ближе к AA. Гомотетия с центром AA, переводящая ω\omega в ωA\omega_A, переводит TT в AA'; значит, касательная к ω\omega в TT параллельна BCBC.
Поскольку окружности ω\omega и ω\omega' вписаны в вертикальные углы, образованные прямыми XYXY и XZXZ, существует гомотетия с центром в XX (и отрицательным коэффициентом), переводящая ω\omega в ω\omega'. Пусть при этой гомотетии точка TT переходит в точку TT'. Тогда TT' лежит на прямой AAAA', касательная к ω\omega' в TT' параллельна BCBC, и ω\omega' лежит выше этой касательной. Такая касательная к ω\omega' — это прямая BCBC; значит, TT' лежит на BCBC, то есть ω\omega' касается BCBC в точке AA'.

Обозначим полупериметр треугольника XYZXYZ через pp. Так как окружности ω\omega и ω\omega' — вневписанные для этого треугольника, имеем ZA=YA=pYZZA' = YA'' = p - YZ. Значит,
XY+XZ=2pYZ=2(pYZ)+YZ=ZA+YZ+YA=AA, что не зависит от выбора точки X. XY + XZ = 2p - YZ = 2(p - YZ) + YZ = ZA' + YZ + YA'' = A'A'', \text{ что не зависит от выбора точки } X.

Замечание. Тот факт, что ω\omega' касается BCBC в точке AA', можно также доказать, применив теорему о трёх гомотетиях к окружностям ω,ωA\omega, \omega_A и ω\omega'. Центры гомотетий, переводящих их друг в друга, есть A,XA, X и некоторая точка QQ, лежащая на BCBC (так как BCBC — внутренняя общая касательная к ωA\omega_A и ω\omega'). Получаем, что QQ лежит на прямой AXAX, то есть совпадает с AA'. Поскольку ωA\omega_A касается BCBC в Q=AQ = A', то и ω\omega' также касается BCBC в этой же точке.

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.