11284. Пусть I
— центр вписанной окружности треугольника ABC
, R
— радиус описанной окружности. Докажите, что R^{3}\geqslant IA\cdot IB\cdot IC
.
Решение. Пусть A_{1}
, B_{1}
, C_{1}
— точки касания со сторонами соответственно BC
, AC
и AB
вписанной окружности треугольника ABC
. Обозначим
AC_{1}=AB_{1}=x,~BC_{1}=BA_{1}=y,~CB_{1}=CA_{1}=z,
BC=a,~AC=b,~AB=c,~\angle BAC=\alpha,~\angle ABC=\beta,~\angle ACB=\gamma.
Из прямоугольных треугольников AB_{1}I
, BA_{1}I
и CB_{1}I
находим, что
IA=\frac{x}{\cos\frac{\alpha}{2}},~IB=\frac{y}{\cos\frac{\beta}{2}},~IC=\frac{z}{\cos\frac{\gamma}{2}},
а по теореме синусов
R=\frac{y+z}{2\sin\alpha},~R=\frac{x+z}{2\sin\beta},~R=\frac{x+y}{2\sin\gamma}.
Теперь задача свелась к доказательству неравенства
\frac{(x+y)(y+z)(x+z)}{8\sin\alpha\sin\beta\sin\gamma}\geqslant\frac{xyz}{\cos\frac{\alpha}{2}\cos\frac{\beta}{2}\cos\frac{\gamma}{2}},
или
(x+y)(y+z)(x+z)\geqslant64\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}.
С другой стороны, пользуясь теоремой косинусов, получаем
\sin^{2}\frac{\alpha}{2}=\frac{1-\cos\alpha}{2}=\frac{1}{2}\left(1-\frac{b^{2}+c^{2}-a^{2}}{2bc}\right)=\frac{1}{2}\cdot\frac{2bc-b^{2}-c^{2}+a^{2}}{2bc}=
=\frac{a^{2}-(b-c)^{2}}{4bc}=\frac{(a+c-b)(a+b-c)}{4bc}=\frac{(p-b)(p-c)}{bc}=\frac{yz}{(x+y)(x+z)}.
Аналогично,
\sin^{2}\frac{\beta}{2}=\frac{xz}{(x+y)(y+z)},~\sin^{2}\frac{\gamma}{2}=\frac{xy}{(x+z)(y+z)},
поэтому
\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}=\frac{xyz}{(x+y)(y+z)(x+z)}.
Значит,
(x+y)(y+z)(x+z)\geqslant64\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}~\Leftrightarrow~(x+y)(y+z)(x+z)\geqslant8xyz.
Для доказательства последнего неравенства достаточно перемножить три очевидных неравенства
x+y\geqslant2\sqrt{xy},~y+z\geqslant2\sqrt{yz},~x+z\geqslant2\sqrt{xz}.
Примечание. 1. Если радиус вписанной окружности треугольника ABC
равен r
, то
IA=\frac{r}{\sin\frac{\alpha}{2}},~IB=\frac{r}{\sin\frac{\beta}{2}},~IC=\frac{r}{\sin\frac{\gamma}{2}},~R=4r\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}
(см. задачу 3225). Тогда
IA\cdot IB\cdot IC=\frac{r^{3}}{\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}}=\frac{4r^{3}R}{r}=4r^{2}R\leqslant R^{2}\cdot R=R^{3},
так как 2r\leqslant R
(см. задачу 3587).
2. См. также задачу 16300.
Автор: Соловьёв А.
Источник: Журнал «Квант». — 1991, № 9, с. 20, М1304; 1992, № 3, с. 22-23, М1304
Источник: Задачник «Кванта». — М1304