10959. Треугольник ABC
площади S
вписан в окружность радиуса 1. Точки A_{1}
, B_{1}
и C_{1}
— проекции центра I
вписанной окружности треугольника на стороны BC
, CA
и AB
соответственно, а площадь треугольника A_{1}B_{1}C_{1}
равна S_{1}
. Докажите, что
4S_{1}=AI\cdot A_{2}B\cdot S.
Решение. Обозначим углы при вершинах A
, B
и C
треугольника ABC
через \alpha
, \beta
и \gamma
соответственно, r
— радиус вписанной окружности треугольника ABC
, R=1
— радиус описанной окружности.
Поскольку \angle B_{1}IC_{1}-180^{\circ}-\alpha
, получаем
S_{\triangle B_{1}IC_{1}}=\frac{1}{2}IB_{1}\cdot IC_{1}\sin\alpha=\frac{1}{2}r^{2}\sin\alpha.
Аналогично,
S_{\triangle C_{1}IA_{1}}=\frac{1}{2}r^{2}\sin\beta,~S_{\triangle A_{1}IB_{1}}=\frac{1}{2}r^{2}\sin\gamma,
поэтому
S_{1}=S_{\triangle A_{1}B_{1}C_{1}}=S_{\triangle B_{1}IC_{1}}+S_{\triangle C_{1}IA_{1}}+S_{\triangle A_{1}IB_{1}}=
=\frac{r^{2}}{2}(\sin\alpha+\sin\beta+\sin\gamma).
По теореме синусов
BC=2R\sin\alpha=2\sin\alpha,~CA=2\sin\beta,~AM=2\sin\gamma,
поэтому (см. задачу 352)
S=S_{\triangle ABC}=r\cdot\frac{BC+AC+AB}{2}=r(\sin\alpha+\sin\beta+\sin\gamma).
Значит, \frac{S_{1}}{S}=\frac{r}{2}
.
Поскольку I
— точка пересечения биссектрис треугольника ABC
, из прямоугольных треугольников AC_{1}I
и BA_{1}I
получаем
AI=\frac{IC_{1}}{\sin\frac{\alpha}{2}}=\frac{r}{\sin\frac{\alpha}{2}},~IB=\frac{IB_{1}}{\sin\frac{\beta}{2}}=\frac{r}{\sin\frac{\beta}{2}}.
Поскольку A_{2}B=A_{2}I
(см. задачу 788), а
\angle BA_{2}I=\angle BA_{2}A=\angle ACB=\gamma,
то из равнобедренного треугольника BA_{1}I
получаем
A_{2}B=A_{2}I=\frac{\frac{1}{2}IB}{\sin\frac{1}{2}\angle BA_{2}I}=\frac{IB}{2\sin\frac{\gamma}{2}}=\frac{\frac{r}{\sin\frac{\beta}{2}}}{2\sin\frac{\gamma}{2}}=
Тогда
AI\cdot A_{2}B=\frac{r}{\sin\frac{\alpha}{2}}\cdot\frac{\frac{r}{\sin\frac{\beta}{2}}}{2\sin\frac{\gamma}{2}}=\frac{r^{2}}{2\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}}.
Таким образом,
4S_{1}=AI\cdot A_{2}B\cdot S~\Leftrightarrow~AI\cdot A_{2}B=4\cdot\frac{S_{1}}{S}~\Leftrightarrow
\Leftrightarrow~\frac{r^{2}}{2\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}}=4\cdot\frac{r}{2}=2r,
что равносильно верному равенству
r=4R\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}=4\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}
(см. задачу 3225). Отсюда следует утверждение задачи.
Источник: Болгарские математические олимпиады. — 1985
Источник: Журнал «Crux Mathematicorum». — 1987, № 4, задача 5 (1985, с. 70), с. 116