13257. Точки M
, N
и P
лежат на сторонах соответственно BC
, CA
и AB
треугольника ABC
. Лучи AM
, BN
и CP
пересекают описанную окружность треугольника в точках M'
, N'
и P'
соответственно. Докажите, что MM'\cdot NN'\cdot PP'\leqslant\frac{R^{2}r}{4}
.
Решение. Обозначим BC=a
, \angle BAC=\alpha
, \angle ABC=\beta
, \angle ACB=\gamma
, \angle BAM=\alpha_{1}
и \angle CAM=\alpha_{2}
.
По теореме синусов из треугольников ABM
и CBM
получаем
\frac{BM}{AM}=\frac{\sin\alpha_{1}}{\sin\beta}~\Rightarrow~BM=AM\cdot\frac{\sin\alpha_{1}}{\sin\beta},
\frac{CM}{AM}=\frac{\sin\alpha_{2}}{\sin\gamma}~\Rightarrow~CM=AM\cdot\frac{\sin\alpha_{2}}{\sin\gamma}.
Значит,
BM\cdot MC=AM\cdot\frac{\sin\alpha_{1}}{\sin\beta}\cdot AM\cdot\frac{\sin\alpha_{2}}{\sin\gamma}=AM^{2}\cdot\frac{\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}{\sin\beta\sin\gamma},
откуда
AM=\sqrt{BM\cdot CM}\cdot\frac{\sin\beta\sin\gamma}{\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}.
По теореме синусов a=2R\sin\alpha
. Тогда по неравенству Коши (см. задачу 3399)
BM\cdot MC\leqslant\frac{(BM+MC)^{2}}{4}=\frac{a^{2}}{4}=R^{2}\sin^{2}\alpha,
а также
\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}=\frac{1}{2}(\cos(\alpha_{1}-\alpha_{2})-\cos(\alpha_{1}+\alpha_{2}))\leqslant
\leqslant\frac{1}{2}(1-\cos(\alpha_{1}+\alpha_{2}))=\sin^{2}\frac{\alpha_{1}+\alpha_{2}}{2}=\sin^{2}\frac{\alpha}{2},
По теореме о произведениях отрезков пересекающихся хорд (см. задачу 2627)
AM\cdot MM'=BM\cdot MC,
поэтому
MM'=\frac{BM\cdot MC}{AM}=\frac{AM^{2}\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}{AM\sin\beta\sin\gamma}=\frac{AM\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}{\sin\beta\sin\gamma}=
=\sqrt{BM\cdot CM}\cdot\sqrt{\frac{\sin\beta\sin\gamma}{\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}}\cdot\frac{\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}{\sin\beta\sin\gamma}=
=\sqrt{BM\cdot CM}\cdot\sqrt{\frac{\sin\alpha_{1}\sin\alpha_{2}}{\sin\beta\sin\gamma}}\leqslant\frac{R\sin\alpha\sin\frac{\alpha}{2}}{\sqrt{\sin\beta\sin\gamma}}.
Аналогично,
NN'\leqslant\frac{R\sin\beta\sin\frac{\beta}{2}}{\sqrt{\sin\alpha\sin\gamma}},~PP'\leqslant\frac{R\sin\gamma\sin\frac{\gamma}{2}}{\sqrt{\sin\alpha\sin\beta}}.
Следовательно,
MM'\cdot NN'\cdot PP'\leqslant\frac{R^{3}\sin\alpha\sin\beta\sin\gamma\cdot\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}}{{\sqrt{\sin^{2}\alpha\sin^{2}\beta\sin^{2}\gamma}}}=
=R^{3}\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}=R^{3}\cdot\frac{r}{4R}=\frac{R^{2}r}{4},
так как
\sin\frac{\alpha}{2}\sin\frac{\beta}{2}\sin\frac{\gamma}{2}=\frac{r}{4R}
(см. задачу 3225а). Что и требовалось доказать.
Источник: Журнал «Crux Mathematicorum». — 2020, № 9, задача 4532, с. 466