4773. Теорема Ньютона. Докажите, что во всяком описанном четырёхугольнике середины диагоналей и центр вписанной окружности расположены на одной прямой.
Указание. Геометрическим местом точек
M
, лежащих внутри четырёхугольника
ABCD
с непараллельными сторонами
AB
и
CD
, и таких, что сумма площадей треугольников
ABM
и
CDM
постоянна, является отрезок.
Решение. Докажем сначала следующее утверждение. Если на плоскости даны два отрезка
AB
и
CD
(
AB
не параллельно
CD
), то геометрическое место точек
M
, расположенных внутри одного из углов, образованных прямыми
AB
и
CD
, и таких, что сумма площадей треугольников
ABM
и
CDM
постоянна, есть отрезок с концами на прямых
AB
и
CD
(рис. 1).
Действительно, пусть прямые
AB
и
CD
пересекаются в точке
Q
. Отложим на сторонах угла
AQD
отрезки
QE
и
QF
, равные соответственно
AB
и
CD
. Тогда
S_{\triangle QME}+S_{\triangle QMF}=S_{\triangle AMB}+S_{\triangle CMD}.

Поэтому
S_{\triangle EMF}=\pm(S_{QEMF}-S_{\triangle QEF})
. Следовательно, площадь треугольника
EMF
постоянна. Поэтому точка
M
перемещается по прямой, параллельной
EF
.
Пусть теперь
ABCD
— описанный четырёхугольник (рис. 2),
O
— центр вписанной окружности,
r
— её радиус,
N
и
K
— середины диагоналей
AC
и
BD
соответственно. Тогда
S_{\triangle ANB}+S_{\triangle DNC}=\frac{1}{2}S_{\triangle ABC}+\frac{1}{2}S_{\triangle ADC}=\frac{1}{2}S_{ABCD}.

Аналогично
S_{\triangle AKB}+S_{\triangle DKC}=\frac{1}{2}S_{ABCD}
.
Пусть
P
и
L
— точки касания вписанной окружности со сторонами
AB
и
CD
. Тогда
S_{\triangle AOB}+S_{\triangle COD}=\frac{1}{2}AB\cdot OP+\frac{1}{2}CD\cdot OL=

=r\cdot\frac{AB+CD}{2}=r\cdot\frac{AD+BC}{2}.

Поэтому
S_{\triangle AOB}+S_{\triangle COD}=\frac{1}{2}S_{ABCD}
.
По ранее доказанному точки
N
,
O
и
K
лежат на одной прямой.


Примечание. Более подробное изложение вопросов, связанных с теоремой Ньютона, см. в разделе «Замечательные теоремы и факты геометрии» (В.В.Прасолов, И.Ф.Шарыгин) книги «Факультативный курс по математике», составитель И.Л.Никольская (с.329).