Maths Olympiad Prep

Library / /32 of 44

Geometry Difficulty 6.4 National olympiad Prove it Russia

Given a triangle ABCABC with BAC=60\angle BAC = 60^\circ. Let BB1BB_1 and CC1CC_1 be the angle bisectors in this triangle. Prove that the point symmetrical to AA with respect to B1C1B_1C_1 lies on side BCBC.

В треугольнике ABCABC угол AA равен 6060^\circ. Пусть BB1BB_1 и CC1CC_1 — биссектрисы этого треугольника. Докажите, что точка, симметричная вершине AA относительно прямой B1C1B_1C_1, лежит на стороне BCBC. (Д. Прокопенко)

Solution

Пусть II — точка пересечения биссектрис треугольника ABCABC. Тогда B1IC1=BIC=180IBCICB=180(ABC+ACB)/2=18060=120=180B1AC1\angle B_1IC_1 = \angle BIC = 180^\circ - \angle IBC - \angle ICB = 180^\circ - (\angle ABC + \angle ACB)/2 = 180^\circ - 60^\circ = 120^\circ = 180^\circ - \angle B_1AC_1. Значит, четырёхугольник AB1IC1AB_1IC_1 вписан в окружность. Отсюда AC1B1=AIB1=ABI+BAI=(A+B)/2\angle AC_1B_1 = \angle AIB_1 = \angle ABI + \angle BAI = (\angle A + \angle B)/2 (поскольку AIB1\angle AIB_1 — внешний в ABI\triangle ABI), и аналогично AB1C1=(A+C)/2\angle AB_1C_1 = (\angle A + \angle C)/2.

Пусть описанная окружность треугольника BC1IBC_1I пересекает прямую BCBC в точке KK (легко понять, что эта точка не может попасть на продолжение стороны BCBC). Тогда IKC=180BKI=BC1I=180AC1I=AB1I=180IB1C\angle IKC = 180^\circ - \angle BKI = \angle BC_1I = 180^\circ - \angle AC_1I = \angle AB_1I = 180^\circ - \angle IB_1C, то есть четырёхугольник IB1CKIB_1CK также вписан.

Наконец, поскольку четырёхугольники AB1IC1AB_1IC_1, BC1IKBC_1IK и CKIB1CKIB_1 вписаны, мы имеем KC1B1=KC1I+IC1B1=KBI+IAB1=(B+A)/2=AC1B1\angle KC_1B_1 = \angle KC_1I + \angle IC_1B_1 = \angle KBI + \angle IAB_1 = (\angle B + \angle A)/2 = \angle AC_1B_1, и аналогично KB1C1=KB1I+IB1C1=(C+A)/2=AB1C1\angle KB_1C_1 = \angle KB_1I + \angle IB_1C_1 = (\angle C + \angle A)/2 = \angle AB_1C_1. Значит, треугольники AB1C1AB_1C_1 и KB1C1KB_1C_1 равны по стороне B1C1B_1C_1 и двум прилежащим к ней углам. Тогда они симметричны относительно B1C1B_1C_1, а тогда и точки AA и KK также симметричны. Поскольку точка KK лежит на BCBC, решение закончено.

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.