13350. Дана трапеция ABCD
, в которой AD\parallel BC
, а лучи AB
 и DC
 пересекаются в точке G
. Общие внешние касательные к окружностям, описанным около треугольников ABC
 и ACD
, пересекаются в точке E
. Общие внешние касательные к окружностям, описанным около треугольников ABD
 и BCD
, пересекаются в точке F
. Докажите, что точки E
, F
 и G
 лежат на одной прямой.
Решение. Пусть прямая EC
 повторно пересекает окружность (ABC)
 в точке X
, а прямая EA
 повторно пересекает окружность треугольника (ACD)
 в точке Y
 (рассмотрим случай, изображённый на рисунке; другие случаи рассматриваются аналогично).
Рассмотрим гомотетию с центром E
, переводящую окружность (ABC)
 в окружность (ACD)
. При такой гомотетии точка X
 переходит в C
, а точка A
 — в Y
. Отсюда AX\parallel YC
, и по теореме о внешнем угле треугольника
\angle AEC=\angle AYC-\angle ECY=\angle AYC-\angle AXC.
 Поскольку четырёхугольники ABCX
 и AYCD
 вписанные, то
\angle AXC=180^{\circ}-\angle ABC~\mbox{и}~\angle AYC=180^{\circ}-\angle ADC.
 Значит,
\angle AEC=\angle AYC-\angle AXC=180^{\circ}-\angle ADC-(180^{\circ}-\angle ABC)=
=\angle ABC-\angle ADC=\angle ABC-\angle BCG=\angle BGC=\angle AGC
 (так как BC\parallel AD
, а ABC
 — внешний угол треугольника BCG
). Из полученного равенства следует, что точки A
, C
, E
 и G
 лежат на одной окружности (см. задачу 12).
Поскольку точка E
 лежит на серединном перпендикуляре к отрезку AC
 (т. е. на оси симметрии окружностей (ABC)
 и (ACD)
), она является серединой дуги AGC
 окружности, проходящей через точки A
, C
, E
 и G
. Значит, точка E
 лежит на внешней биссектрисе угла BGC
.
Аналогично доказывается, что точка F
 тоже лежит на внешней биссектрисе угла BGC
. Следовательно, точки E
, F
 и G
 лежат на одной прямой.

Примечание. У задачи есть следующее обобщение. Пусть ABCD
 — четырёхугольник, G
 — точка пересечения прямых AB
 и CD
, а M
 — вторая точка пересечения окружностей (ADG)
 и (BCG)
 (иначе говоря, точка Микеля этого четырёхугольника, см. задачу 995). Пусть E
 — центр гомотетии с положительным коэффициентом, переводящей окружность (ABC)
 в окружность (ADC)
. Тогда точки A
, C
, M
, E
 лежат на одной окружности, причём E
 — середина дуги AC
 (т. е. ME
 — биссектриса угла между AM
 и CM
).
Доказать это можно аналогично решению решении задачи: имеем (в ориентированных углах)
\angle AEC=\angle ABC+\angle ADC=\angle GBC+\angle AMG=
=\angle GMC+\angle AMG=\angle AMC.
Автор: Кузнецов А. С.
Источник: Всероссийская олимпиада школьников. — 2022-2023, XLIX, заключительный этап, второй день, задача 7, 9-10 классы