12551. Пусть E
 — точка пересечения диагоналей выпуклого четырёхугольника ABCD
, а A_{1}
, B_{1}
, C_{1}
, D_{1}
 и A_{2}
, B_{2}
, C_{2}
, D_{2}
 — точки пересечения медиан и высот в треугольниках AEB
, BEC
, CED
 и DEA
 соответственно. Докажите, что четырёхугольники A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
 и A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 подобны.
Решение. Пусть A_{3}
, B_{3}
, C_{3}
, D_{3}
 — середины сторон AB
, BC
, CD
 и DA
 соответственно. Стороны A_{3}B_{3}
, B_{3}C_{3}
, C_{3}D_{3}
, D_{3}A_{3}
 четырёхугольника A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
 — средние линии треугольников ABC
, BCD
, CDA
, DAB
 соответственно, поэтому A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
 — параллелограмм, стороны которого параллельны диагоналям AC
 и BD
 и вдвое короче AC
 и BD
. Отрезки EA_{3}
, EB_{3}
, EC_{3}
, ED_{3}
 — медианы треугольников AEB
, BEC
, CED
 и DEA
 соответственно, поэтому эти отрезки делятся точками A_{1}
, B_{1}
, C_{1}
, D_{1}
 в одинаковом отношении 2:1
.
При гомотетии с центром E
 и коэффициентом \frac{1}{2}
 параллелограмм A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
 переходит в четырёхугольник A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
, значит, A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
 — параллелограмм, подобный параллелограмму A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
 с коэффициентом \frac{1}{2}
.
Далее заметим, что точки A_{2}
, B_{2}
, C_{2}
 и D_{2}
 — это все точки пересечения пар параллельных прямых, содержащих высоты AA_{2}
, CC_{2}
 и BB_{2}
, DD_{2}
, соответственно перпендикулярных диагоналям BD
 и AC
. Следовательно, стороны четырёхугольника A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 лежат на этих прямых и перпендикулярны им. Значит, A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 — параллелограмм, углы между сторонами которого равны углам между диагоналями четырёхугольника ABCD
.
Расстояние между прямыми AA_{2}
 и CC_{2}
 (высота параллелограмма A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
) равно расстоянию между основаниями перпендикуляров, опущенных из точек A
 и C
 на диагональ BD
 (проекции диагонали AC
 на прямую BD
), т. е. отрезку AC
, умноженному на модуль косинуса угла AED
.
Сторона A_{2}B_{2}
 равна расстоянию между AA_{2}
 и CC_{2}
, делённому на синус угла B_{2}C_{2}D_{2}
, т. е. на синус угла AED
. Таким образом, отрезок A_{2}B_{2}
 равен отрезку AC
, умноженному на (модуль) котангенса угла AED
. Аналогично находится и вторая сторона A_{2}D_{2}
 параллелограмма A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
, равная диагонали BD
, умноженной на (модуль) котангенса угла AED
. Значит, A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 и A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
 — параллелограммы с равными соответствующими углами, и стороны которых пропорциональны. Значит, они подобны, причём коэффициент подобия равен 2|\ctg\angle AED|
.
Таким образом, каждый из параллелограммов A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
 и A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 подобен параллелограмму A_{3}B_{3}C_{3}D_{3}
. Следовательно, параллелограммы A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
 и A_{2}B_{2}C_{2}D_{2}
 подобны.
Источник: Всесибирская физико-математическая олимпиада. — 2019-2020, второй этап, задача 4, 11 класс