Maths Olympiad Prep

Library / /53 of 57

Geometry Difficulty 7.5 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Let ABCABC be an acute-angled triangle with AC<BCAC < BC; let MM be the midpoint of ABAB. Let CCCC' be a diameter in the circumcircle Ω\Omega of the triangle ABCABC. The line CMCM meets the lines ACAC' and BCBC' at KK and LL, respectively. Denote by Δ\Delta the triangle formed by the line through KK perpendicular to ACAC', the line through LL perpendicular to BCBC', and the line ABAB. Prove that the circumcircle of Δ\Delta is tangent to Ω\Omega.
(M. Kungozhin)

Пусть ABCABC — остроугольный треугольник, в котором AC<BCAC < BC; пусть MM — середина отрезка ABAB. В окружности Ω\Omega, описанной около треугольника ABCABC, проведен диаметр CCCC'. Прямая CMCM пересекает прямые ACAC' и BCBC' в точках KK и LL соответственно. Пусть перпендикуляр к прямой ACAC', проведенный через точку KK, перпендикуляр к прямой BCBC', проведенный через точку LL, и прямая ABAB образуют треугольник Δ\Delta. Докажите, что окружность, описанная около треугольника Δ\Delta, касается окружности Ω\Omega.

Solutions — 2

Solution 1

Let EE, UU, and VV be the vertices of Δ\Delta, with EUACEU \parallel AC and EVBCEV \parallel BC. Let CEC'E meet Ω\Omega again at XX. Then XX is the required tangency point. There are various methods to prove this.

Hint 1. Let CXCX meet ACAC' and BCBC' at QQ and PP, respectively (see Fig. 19). One may show that EE is the orthocenter of the triangle PCQPC'Q, so that PEUP \in EU and QEVQ \in EV. Then the points (A,V,Q,X)(A, V, Q, X) are concyclic, which yields UEX=KEX=AQX=AVX\angle UEX = \angle KEX = \angle AQX = \angle AVX, so that U,V,EU, V, E, and XX lie on some circle ω\omega. Due to EVX=QAX=CAX\angle EVX = \angle QAX = \angle C'AX, this circle is tangent to Ω\Omega.

Hint 2. Let the line CEC'E meet BCBC, CACA, and ABAB at A1A_1, B1B_1, and C1C_1, respectively (see Fig. 20). One can see that A1KB1LABA_1K \parallel B_1L \parallel AB. Let N=A1KACN = A_1K \cap AC; since ABA1NAB \parallel A_1N and KEAB1KE \parallel AB_1, we have A1K=KNA_1K = KN and A1E=EB1A_1E = EB_1.

Let XXXX' be a diameter in Ω\Omega, and let XAX'A and XBX'B meet CEC'E at SS and TT, respectively. Then ΔTSXΔABC\Delta TSX' \sim \Delta ABC, the points XX and MM are corresponding points in these triangles, so XX is the midpoint of STST. Since SABA1SABA_1 and TBAB1TBAB_1 are cyclic, we have C1A1C1B1=C1TC1S\frac{C_1A_1}{C_1B_1} = \frac{C_1T}{C_1S}, which yields C1SC1X=C1B1C1E\frac{C_1S}{C_1X} = \frac{C_1B_1}{C_1E}. Thus UXASUX \parallel AS, hence UXE=ASX=ABC=EVU\angle UXE = \angle ASX = \angle ABC = \angle EVU, so the points U,V,EU, V, E, and XX lie on some circle ω\omega. Finally, the cyclic configurations ACXBACX'B and UEXVUEXV are homothetic, thus the tangents at XX and XX' to ω\omega and Ω\Omega are parallel.

Solution 2

Первое решение. Пусть данные перпендикуляры, проходящие через KK и LL, пересекают ABAB в точках UU и VV соответственно и пересекаются в точке EE. Заметим сразу, что обе прямые ACAC и KEKE перпендикулярны прямой ACAC', так что ACKEAC \parallel KE; аналогично, BCLEBC \parallel LE. Обозначим через ω\omega окружность, описанную около треугольника EUVEUV. Пусть прямая CEC'E вторично пересекает окружность Ω\Omega в точке XX (см. рис. 19). Мы докажем, что XX — искомая точка касания окружностей ω\omega и Ω\Omega.
Figure 1

Поскольку CKE=CLE=90\angle C'KE = \angle C'LE = 90^\circ, четырёхугольник CKELC'KEL вписан. Отсюда имеем ACX=ACX=KLE=LCB\angle ACX = \angle AC'X = \angle KLE = \angle LCB, то есть ACX=MCB\angle ACX = \angle MCB и BCX=MCA\angle BCX = \angle MCA. Это значит, что прямая CXCX — симедиана треугольника ABCABC; как известно, она проходит через точку SS пересечения касательных к Ω\Omega в точках AA и BB.

Пусть OO — центр Ω\Omega; обозначим γ=ACB\gamma = \angle ACB. Пусть CMCM вторично пересекает Ω\Omega в точке YY. Так как AMAM — высота в прямоугольном треугольнике OASOAS, имеем OMOS=OA2=OC2\overline{OM} \cdot \overline{OS} = \overline{OA}^2 = \overline{OC}^2; это значит, что треугольники OMCOMC и OCSOCS подобны. Значит, отношение их высот, опущенных из OO, равно OMOC=OMOA=cosγ\frac{OM}{OC} = \frac{OM}{OA} = \cos \gamma. Эти высоты являются средними линиями в прямоугольных треугольниках CYCCYC' и CXCCXC', так что CYCX=cosγ\frac{C'Y}{C'X} = \cos \gamma.

Пусть прямые ACAC' и BCBC' пересекают CXCX в точках QQ и PP соответственно. Заметим, что PCQ=ACB=γ\angle PC'Q = \angle ACB = \gamma. Кроме того, YCL=YCB=QCX\angle YC'L = \angle YCB = \angle QC'X, так что прямоугольные треугольники YCLYC'L и XCQXC'Q подобны. Значит, CLCQ=CYCX=cosγ=cosPCQ\frac{C'L}{C'Q} = \frac{C'Y}{C'X} = \cos \gamma = \cos \angle PC'Q. Отсюда следует, что QLQL — высота треугольника PCQPCQ. Итак, точки LL, EE, QQ и VV лежат на одной прямой.

Поскольку QVB=VBC=AXC\angle QVB = \angle VBC = \angle AXC, четырёхугольник AVQXAVQX вписан в некоторую окружность. Поскольку EKQ=EXQ=90\angle EKQ = \angle EXQ = 90^\circ, точки XX, EE, KK и QQ также лежат на одной окружности. Из этих двух окружностей получаем UEX=KEX=AQX=AVX\angle UEX = \angle KEX = \angle AQX = \angle AVX, то есть точки UU, VV, EE и XX лежат на одной окружности ω\omega. Кроме того, EVX=QAX=CAX\angle EVX = \angle QAX = \angle C'AX. Это означает, что градусные меры дуг CXC'X и EXEX окружностей Ω\Omega и ω\omega равны. Значит, касательные к этим окружностям, проведённые в точке XX, совпадают. Тем самым, окружности Ω\Omega и ω\omega касаются.

Figure 1

Второе решение. Введём точки EE, UU, VV и XX, как и в прошлом решении. Обозначим через A1A_1, B1B_1 и C1C_1 точки пересечения прямой CEC'E с прямыми BCBC, CACA и ABAB соответственно. Как и выше, равенство ACX=ACX=KLE=LCB\angle ACX = \angle AC'X = \angle KLE = \angle LCB означает, что ACX=KCB\angle ACX = \angle KCB; с другой стороны, из равенства KCE=KCA1\angle KC'E = \angle KCA_1 следует также, что точки CC, CC', KK и A1A_1 лежат на одной окружности (см. рис. 20). Отсюда CKA1=CCB=CAB\angle C'KA_1 = \angle C'CB = \angle C'AB, то есть KA1ABKA_1 \parallel AB.

Обозначим через NN точку пересечения прямых KA1KA_1 и ACAC. Поскольку ABA1KAB \parallel A_1K и прямая CMCM делит ABAB пополам, она делит пополам и A1NA_1N, то есть KN=KA1KN = KA_1. Так как KEAB1KE \parallel AB_1, KEKE — средняя линия в треугольнике A1NB1A_1NB_1, то есть B1E=EA1B_1E = EA_1.

Пусть XX' — точка на Ω\Omega, диаметрально противоположная XX. Пусть прямые XAX'A и XBX'B пересекают прямую CEC'E в точках SS и TT соответственно. Тогда SXT=ACB\angle SX'T = \angle ACB и XST=90SXC=90ABC=ABC\angle X'ST = 90^\circ - \angle SX'C' = 90^\circ - \angle ABC' = \angle ABC, то есть треугольники ABCABC и TSXTSX' подобны. Более того, поскольку SXX=ACX=BCM\angle SX'X = \angle ACX = \angle BCM, точки MM и XX в этих треугольниках соответствуют, то есть SX=XTSX = XT.

Figure 2

Из равенства AST=ABC=C1BA1\angle AST = \angle ABC = \angle C_1BA_1 следует, что точки SS, AA, BB и A1A_1 лежат на одной окружности, откуда C1AC1B=C1SC1A1C_1A \cdot C_1B = C_1S \cdot C_1A_1. Аналогично, C1AC1B=C1TC1B1C_1A \cdot C_1B = C_1T \cdot C_1B_1, поэтому C1SC1A1=C1TC1B1C_1S \cdot C_1A_1 = C_1T \cdot C_1B_1, или C1SC1B1=C1TC1A1\frac{C_1S}{C_1B_1} = \frac{C_1T}{C_1A_1}. Это значит, что отрезки A1B1A_1B_1 и TSTS гомотетичны с центром в C1C_1; эта гомотетия переводит середину EE отрезка A1B1A_1B_1 в середину XX отрезка STST. Значит, C1SC1B1=C1XC1E\frac{C_1S}{C_1B_1} = \frac{C_1X}{C_1E}, или C1SC1X=C1B1C1E\frac{C_1S}{C_1X} = \frac{C_1B_1}{C_1E}. В силу параллельности AB1UEAB_1 \parallel UE, получаем C1AC1U=C1B1C1E=C1SC1X\frac{C_1A}{C_1U} = \frac{C_1B_1}{C_1E} = \frac{C_1S}{C_1X}, что означает, что UXASUX \parallel AS. Отсюда получаем UXE=ASX=ABC=EVU\angle UXE = \angle ASX = \angle ABC = \angle EVU, то есть точки UU, VV, EE и XX лежат на одной окружности ω\omega.

Наконец, рассмотрим треугольники ABCABC и UVEUVE; их соответственные стороны параллельны, так что они гомотетичны (с отрицательным коэффициентом). При этой гомотетии прямая CXCX' переходит в EXEX (поскольку CXCXC'X \parallel CX'), окружность Ω\Omega переходит в окружность ω\omega, а значит, XX' переходит в XX. Поэтому касательная к ω\omega в XX параллельна касательной к Ω\Omega в XX', а значит — и касательной к Ω\Omega в XX. Отсюда следует, что ω\omega и Ω\Omega касаются в XX.

Figure 2

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.