11006. Окружности \Omega_{1}
 и \Omega_{2}
 с центрами O_{1}
 и O_{2}
 касаются внешним образом в точке T
. Окружность \Omega_{3}
 с центром O_{3}
 касается внешним образом окружностей \Omega_{1}
 и \Omega_{2}
, а также касается общей касательной AB
, проведённой к \Omega_{1}
 и \Omega_{2}
, в точке D
. Прямая TD
 вторично пересекает окружность \Omega_{1}
 в точке C
. Докажите, что O_{1}C\parallel AB
.
Решение. Если радиусы окружностей равны, то в силу симметрии прямая TD
 будет являться общей касательной к окружностям. В этом случае доказывать нечего.
Далее предполагаем, что r_{1}\lt r_{2}
 (случай r_{2}\gt r_{1}
 аналогичен). Пусть X
 — точка пересечения прямых O_{1}O_{2}
 и AB
 (рис. 1). Достаточно доказать, что XT=XD
. Действительно, поскольку O_{1}T=O_{1}C=r_{1}
, то XTD
 и O_{1}TC
 — подобные равнобедренные треугольники, откуда получаем нужную параллельность.
Показать, что XT=XD
, можно разными способами (используя теорему о трёх гомотетиях, инверсию с центром в X
 и т. д.). Здесь мы приведём два способа решения, в которых потребуется гомотетия и немного вычислений.
Первый способ. Положим XA=t
, а отношение радиусов \frac{r_{2}}{r_{1}}
 окружностей \Omega_{1}
 и \Omega_{2}
 обозначим через k
. Пусть Z
 — вторая точка пересечения прямой XT
 с окружностью \Omega_{1}
. Тогда по теореме о касательной и секущей XT\cdot XZ=t^{2}
. С другой стороны, из гомотетии с центром X
, переводящей окружность \Omega_{1}
 в окружность \Omega_{2}
, следует, что \frac{XZ}{XT}=\frac{r_{1}}{r_{2}}=\frac{1}{k}
. Отсюда \frac{XT^{2}}{k}=t^{2}
, значит, XT=t\sqrt{k}
. Из этой же гомотетии получаем, что XB=kXA=kt
, откуда
AB=XB-XA=kt-t=(k-1)t.
 По формуле для отрезка общей касательной касающихся окружностей (см. задачу 365)
AD=2\sqrt{r_{1}r_{3}},~BD=2\sqrt{r_{2}r_{3}},
 где r_{3}
 — радиус окружности \Omega_{3}
. Таким образом,
\frac{BD}{AD}=\frac{\sqrt{r_{2}}}{\sqrt{r_{1}}}=\sqrt{k}~\Leftrightarrow~BD=AD\sqrt{k}.
 Значит,
XD=XA+AD=t+AB\cdot\frac{AD}{AD+BD}=
=t+(k-1)t\cdot\frac{1}{1+\sqrt{k}}=t+t(\sqrt{k}-1)=t\sqrt{k}=XT.
 Что и требовалось доказать.
Второй способ. Пусть M
 и N
 точки касания окружности \Omega_{3}
 с окружностями \Omega_{1}
 и \Omega_{2}
 соответственно (рис. 2). Тогда прямая MN
 проходит через точку X
 (в более общем случае доказано в решении задачи 106). Поскольку
O_{1}T=O_{1}M,~O_{2}T=O_{2}N,~O_{3}N=O_{3}M,
 вписанная окружность треугольника O_{1}O_{2}O_{2}
 касается его сторон в точках T
, N
 и M
 (см. задачу 4728), а так как XMN
 — общая секущая этой окружности и окружности \Omega_{3}
, то по теореме о касательной и секущей
XD=\sqrt{XM\cdot XN}=XT.
 Что и требовалось доказать.
Автор: Расторгуев В. А.
Источник: Журнал «Квант». — 2019, № 2, с. 19, М2547; 2019, № 5, с. 24
Источник: Задачник «Кванта». — М2547