13822. Окружность, вписанная в треугольник ABC
, касается его сторон AB
, BC
и CA
в точках L
, N
и E
соответственно. Прямые LE
и BC
пересекаются в точке H
, а прямые LN
и AC
— в точке J
, причём точки H
, J
, N
, E
лежат по одну сторону от прямой AB
. Пусть O
и P
— середины отрезков EJ
и NH
соответственно. Найдите площадь четырёхугольника HJNE
, если площади четырёхугольника ABOP
и треугольника COP
равны u^{2}
и v^{2}
соответственно.
Ответ. 4uv
.
Решение. Обозначим BC=a
, CA=b
, AB=c
, \angle ACB=\gamma
, а p
— полупериметр треугольника ABC
. Тогда (см. задачу 219)
AL=AE=p-a,~BL=BN=p-b,~CN=CE=p-c.
Пусть c\gt b
и c\gt a
.
По теореме Менелая для треугольника ABC
и прямой LH
получаем
1=\frac{CH}{HB}\cdot\frac{BL}{LA}\cdot\frac{AE}{EC}=\frac{CH}{CH+a}\cdot\frac{p-b}{p-a}\cdot\frac{p-a}{p-c}=\frac{CH}{CH+a}\cdot\frac{p-b}{p-c},
откуда HC=\frac{a(p-c)}{c-b}
. Аналогично, JC=\frac{b(p-c)}{c-a}
. Тогда
NH=NC+HC=(p-c)+\frac{a(p-c)}{c-b}=(p-c)\left(1+\frac{a}{c-b}\right)=
=\frac{(p-c)(a+c-b)}{c-b}=\frac{2(p-b)(p-c)}{c-b}.
Аналогично, EJ=\frac{2(p-a)(p-c)}{c-a}
. Значит (см. задачу 3018),
S_{HJNE}=\frac{1}{2}NH\cdot JE\sin\gamma=\frac{1}{2}\cdot\frac{2(p-b)(p-c)}{c-b}\cdot\frac{2(p-a)(p-c)}{c-a}\cdot\sin\gamma=
=\frac{2(p-a)(p-b)(p-c)^{2}\sin\gamma}{(c-b)(c-a)}.
Поскольку
CP=NP-NC=\frac{1}{2}NH-NC=\frac{(p-b)(p-c)}{c-b}-(p-c)=
=(p-c)\left(\frac{p-c}{c-b}-1\right)=\frac{(p-c)(p-b-c+b)}{c-b}=\frac{(p-c)^{2}}{c-b}
и аналогично, CO=\frac{(p-c)^{2}}{c-a}
, то
v^{2}=S_{\triangle COP}=\frac{1}{2}CP\cdot CO\sin\gamma=\frac{(p-c)^{4}\sin\gamma}{2(c-b)(c-a)}.
Поскольку
AO=AC+CO=b+\frac{(p-c)^{2}}{c-a}=\frac{bc-ab+p^{2}-2pc+c^{2}}{c-a}=
=\frac{c(b+c-2pa)-ab-p^{2}}{c-a}=\frac{c(b+c-a-b-c)-ab-p^{2}}{c-a}=
=\frac{p^{2}-ac-ab}{c-a}=\frac{p^{2}-a(b+c)}{c-a}=\frac{p^{2}-a(2p-a)}{c-a}=
=\frac{p^{2}-2ap+a^{2}}{c-a}=\frac{(p-a)^{2}}{c-a}
и аналогично, BP=\frac{(p-b)^{2}}{c-b}
, то
u^{2}=S_{ABOP}=\frac{1}{2}AO\cdot BP=\frac{1}{2}\cdot\frac{(p-a)^{2}}{c-a}\cdot\frac{(p-b)^{2}}{c-b}=\frac{(p-a)^{2}(p-b)^{2}\sin\gamma}{2(c-a)(c-b)}.
Таким образом,
S^{2}_{HJNE}=\left(\frac{2(p-a)(p-b)(p-c)^{2}\sin\gamma}{(c-b)(c-a)}\right)^{2}=
=4\cdot2\cdot2\cdot\frac{(p-c)^{4}\sin\gamma}{2(c-b)(c-a)}\cdot\frac{(p-a)^{2}(p-b)^{2}\sin\gamma}{2(c-b)^{2}(c-a)^{2}}=16v^{2}u^{2}.
Следовательно, S_{HJNE}=4uv
.
Источник: Журнал «Crux Mathematicorum». — 2008, № 4, задача 10, с. 226
Источник: Украинские математические олимпиады. —