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.