12303. Точка
O
— центр окружности, описанной около остроугольного треугольника
ABC
(
AC\gt AB
),
I
— центр окружности, вписанной в этот треугольник. Пусть луч
AI
пересекает описанную окружность в точке
A_{1}
.
а) Докажите, что угол
OA_{1}I
равен сумме углов
OBI
и
OCI
.
б) Найдите расстояние между точками
O
и
I
, если
OI\parallel BC
,
\cos\angle BAC=\frac{1}{3}
, а радиус описанной окружности равен
\sqrt{3}
.
Ответ. 1.
Решение. а) Обозначим углы при вершинах
A
,
B
и
C
треугольника
ABC
через
\alpha
,
\beta
и
\gamma
соответственно. Против большей стороны треугольника лежит больший угол, поэтому
\beta\gt\gamma
.
Центр вписанной окружности треугольника — точка пересечения его биссектрис, а центр описанной окружности — точка пересечения серединных перпендикуляров к сторонам треугольника. Значит,
AA_{1}
— биссектриса вписанного угла
BAC
,
A_{1}
— середина дуги
BA_{1}C
описанной окружности, а прямая
OA_{1}
— серединный перпендикуляр к стороне
BC
.
Пусть
AH
— высота треугольника
ABC
. Тогда
\angle HAA_{1}=\angle BAA_{1}-\angle BAH=\frac{1}{2}(180^{\circ}-\beta-\gamma)-(90^{\circ}-\beta)=\frac{\beta-\gamma}{2}.

Прямые
AH
и
OA_{1}
параллельны, так как они перпендикулярны одной и той же прямой
BC
, поэтому
\angle OA_{1}I=\angle HAA_{1}=\frac{\beta-\gamma}{2}.

Центральный угол
BOC
вдвое больше вписанного угла
BAC
, а треугольник
BOC
равнобедренный, поэтому
\angle OBI=\angle CBI-\angle CBO=\frac{\beta}{2}-(90^{\circ}-\alpha)=\alpha+\frac{\beta}{2}-90^{\circ},

\angle OCI=\angle BCO-\angle BCI=(90^{\circ}-\alpha)-\frac{\gamma}{2}=90^{\circ}-\alpha-\frac{\gamma}{2}.

Следовательно,
\angle OBI+\angle OCI=\alpha+\frac{\beta}{2}-90^{\circ}+90^{\circ}-\alpha-\frac{\gamma}{2}=\frac{\beta-\gamma}{2}=\angle OA_{1}I.

б) По теореме о внешнем угле треугольника
\angle BIA_{1}=\angle A_{1}AC+\angle ABI=\frac{\alpha}{2}+\frac{\beta}{2}.

С другой стороны, вписанные углы
CBA_{1}
и
CAA_{1}
опираются на одну и ту же дугу, поэтому
\angle IBA_{1}=\angle IBC+\angle CBA_{1}=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}=\angle BIA_{1}.

Значит, треугольник
A_{1}BI
равнобедренный,
A_{1}I=A_{1}B
.
Поскольку
OI\parallel BC
и
BC\perp OA_{1}
, треугольник
IOA_{1}
прямоугольный с прямым углом при вершине
O
. Следовательно,
OI=\sqrt{A_{1}I^{2}-A_{1}O^{2}}=\sqrt{A_{1}B^{2}-A_{1}O^{2}}=

=\sqrt{\left(2R\sin\frac{\alpha}{2}\right)^{2}-R^{2}}=R\sqrt{4\sin^{2}\frac{\alpha}{2}-1}=

=R\sqrt{2-2\cos\alpha-1}=\sqrt{3}\sqrt{1-2\cdot\frac{1}{3}}=\sqrt{3}\cdot\frac{1}{\sqrt{3}}=1.