Maths Olympiad Prep

Library / /31 of 46

Geometry Difficulty 6.5 National olympiad Prove it Russia

The circles ω1\omega_1 and ω2\omega_2 touch each other externally at PP. Let 1\ell_1 be a line passing through the center of ω1\omega_1 and tangent to ω2\omega_2. Similarly, a line 2\ell_2 is tangent to ω1\omega_1 and passes through the center of ω2\omega_2. The lines 1\ell_1 and 2\ell_2 are not parallel. Prove that PP lies on the angle bisector of some angle formed by 1\ell_1 and 2\ell_2. (L. Emelyanov)

Окружности ω1\omega_1 и ω2\omega_2 касаются внешним образом в точке PP. Через центр ω1\omega_1 проведена прямая 1\ell_1, касающаяся ω2\omega_2. Аналогично, прямая 2\ell_2 касается ω1\omega_1 и проходит через центр ω2\omega_2. Оказалось, что прямые 1\ell_1 и 2\ell_2 непараллельны. Докажите, что точка PP лежит на биссектрисе одного из углов, образованных 1\ell_1 и 2\ell_2. (Л. Емельянов)

Solution

Пусть O1O_1, r1r_1 и O2O_2, r2r_2 — соответственно центры и радиусы окружностей ω1\omega_1 и ω2\omega_2, а KK — точка пересечения 1\ell_1 и 2\ell_2. Заметим, что точка PP лежит на отрезке O1O2O_1O_2 и делит его в отношении r1:r2r_1 : r_2.

Обозначим через P1P_1 точку касания 2\ell_2 и ω1\omega_1, а через P2P_2 точку касания 1\ell_1 и ω2\omega_2. Прямоугольные треугольники KO1P1KO_1P_1 и KO2P2KO_2P_2 подобные по острому углу при вершине KK. Значит, KO1KO2=O1P1O2P2=r1r2\frac{KO_1}{KO_2} = \frac{O_1P_1}{O_2P_2} = \frac{r_1}{r_2}. Таким образом, в треугольнике KO1O2KO_1O_2 точка PP, лежащая на стороне O1O2O_1O_2, делит её в отношении, равном отношению прилежащих сторон KO1KO_1 и KO2KO_2. Из этого следует, что PP — основание биссектрисы треугольника KO1O2KO_1O_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.