13783. Пусть
A
,
B
и
C
— различные точки, лежащие на одной прямой, а
M
— произвольная точке, не лежащая на этой прямой. Биссектриса угла
MAB
пересекает прямую
MB
в точке
X
. Прямая, проведённая через точку
A
перпендикулярно
AX
, пересекает прямую
MC
в точке
Y
.
а) Докажите, что прямая
XY
проходит через фиксированную точку
D
.
б) Пусть
Z
— проекция точки
A
на прямую
XY
. Докажите, что
\angle BZD=\angle CZD
.
Решение. Рассмотрим случай, изображённый на рисунке.
а) Пусть прямая
XY
пересекает прямую
AC
в точке
D
. Поскольку
AX
— биссектриса треугольника
ABM
, а
AY\perp AX
, то
AX
— биссектриса внешнего угла при вершине
A
этого треугольника (см. задачу 937). Тогда (см. задачи 1645 и 1509)
\frac{YM}{YC}=\frac{AM}{AC},~\frac{XM}{XB}=\frac{AM}{AB}.

По теореме Менелая для треугольника
BCM
и прямой
XY
получаем
\frac{YM}{YC}\cdot\frac{DC}{DB}\cdot\frac{XB}{XM}=1,

откуда
\frac{DC}{DB}=\frac{YC}{YM}\cdot\frac{XM}{XB}=\frac{AC}{AM}\cdot\frac{AM}{AB}=\frac{AC}{AB}.

Значит, положение точки
D
на прямой
AC
фиксировано. Отсюда следует утверждение а).
б) Обозначим
AB=b
,
AC=c
,
AZ=t
. Тогда
\frac{DC}{DB}=\frac{AC}{AB}~\Rightarrow~\frac{DC}{BC}=\frac{DC}{DB+DC}=\frac{\frac{DC}{DB}}{1+\frac{DC}{DB}}=\frac{\frac{AC}{AB}}{1+\frac{AC}{AB}}=\frac{\frac{c}{b}}{1+\frac{c}{b}}=\frac{c}{b+c}~\Rightarrow~

\Rightarrow~DC=DB\cdot\frac{c}{b+c}=\frac{c(c-b)}{b+c}~\Rightarrow~AD=c-\frac{c(c-b)}{b+c}=\frac{2bc}{b+c}.

По теореме косинусов
ZB^{2}=t^{2}+b^{2}-2tb\cos\angle ZAB=t^{2}+b^{2}-2tb\cdot\frac{AZ}{AD}=

=t^{2}+b^{2}-2tb\cdot\frac{t}{\frac{2bc}{b+c}}=\frac{b(bc-t^{2})}{c},

ZC^{2}=t^{2}+c^{2}-2tc\cos\angle ZAC=t^{2}+c^{2}-2tb\cdot\frac{AZ}{AD}=

=t^{2}+c^{2}-2tc\cdot\frac{t}{\frac{2bc}{b+c}}=\frac{c(bc-t^{2})}{b}.

Значит,
\frac{ZB^{2}}{ZC^{2}}=\frac{\frac{c(bc-t^{2})}{c}}{\frac{c(bc-t^{2})}{b}}=\frac{b^{2}}{c^{2}}=\frac{AB^{2}}{AC^{2}}\Rightarrow~\frac{ZB}{ZC}=\frac{AB}{AC},

поэтому
ZB
— биссектриса внешнего угла при вершине
Z
треугольника
BZC
(см. примечание к задаче 1645). Следовательно,
ZD
— биссектриса внутреннего угла этого треугольника. Что и требовалось доказать.