16111. Окружность
\omega
касается параллельных прямых
l_{1}
и
l_{2}
. Вторая окружность
\omega_{1}
касается прямой
l_{1}
и внешним образом касается окружности
\omega
. Третья окружность
\omega_{2}
касается прямой
l_{2}
в точке
B
и внешним образом касается окружности
\omega_{1}
в точке
E
. Прямые
AD
и
BC
пересекаются в точке
Q
. Докажите, что
Q
— центр описанной окружности треугольника
CDE
.
Указание. Точка
Q
— радикальный центр попарно касающихся окружностей
\omega
,
\omega_{1}
и
\omega_{2}
.
Решение. Мы докажем, что точка
Q
— радикальный центр попарно касающихся окружностей
\omega
,
\omega_{1}
и
\omega_{2}
. Отсюда будет следовать утверждение задачи.
Пусть
O
,
O_{1}
и
O_{2}
— центры окружностей соответственно
\omega
,
\omega_{1}
и
\omega_{2}
,
R
,
R_{1}
и
R_{2}
— радиусы этих окружностей, а
F
и
F'
— точки касания окружности
\omega
со прямыми
l_{1}
и
l_{2}
соответственно.
Через точку
O_{2}
проведём прямую, параллельную
l_{1}
. Пусть она пересекает отрезок
FF'
и прямую
AO_{1}
в точках
G
и
H
соответственно. Через точку
D
проведём прямую, перпендикулярную
l_{1}
. Пусть она пересекает прямые
l_{1}
,
l_{2}
отрезок
GH
точках
L
,
M
и
N
соответственно. Тогда (см. задачу 365)
AF=2\sqrt{RR_{1}},~BF'=2\sqrt{RR_{2}},

поэтому
HO_{2}=|GH-GO_{2}|=|AF-BF'|=2|\sqrt{RR_{1}}-\sqrt{RR_{2}}|,

HO_{1}=FF'-O_{1}A-O_{2}B=2R-R_{1}-R_{2}.

Из прямоугольного треугольника
O_{1}HO_{2}
получаем
HO_{2}^{2}+HO_{1}^{2}=O_{1}O_{2}^{2},~\mbox{или}~4(\sqrt{RR_{1}}-\sqrt{RR_{2}})^{2}+(2R-R_{1}-R_{2})^{2}=(R_{1}+R_{2})^{2},

откуда
R=2\sqrt{R_{1}R_{2}}
.
Рассмотрим прямоугольный треугольник
GOO_{2}
, в котором
GO=OF'-GF'=OF'-O_{2}B=R-R_{2},~GO_{2}=BF'=2\sqrt{RR_{2}}.

Поскольку
DO_{2}=R_{2}
,
DO=R
,
KD\parallel GO_{2}
, а треугольник
OKD
подобен треугольнику
OGO_{2}
с коэффициентом
\frac{OD}{OO_{2}}=\frac{R}{R+R_{2}}
, то
FL=KD=\frac{R}{R+R_{2}}\cdot GO_{2}=\frac{R}{R+R_{2}}\cdot BF'=\frac{R}{R+R_{2}}\cdot2\sqrt{RR_{2}}=\frac{2R\sqrt{RR_{2}}}{R+R_{2}}.

Значит,
AL=AF-FL=2\sqrt{RR_{1}}-\frac{2R\sqrt{RR_{2}}}{R+R_{2}}.

Кроме того, из подобия треугольников
DNO_{2}
и
DGO_{2}
получаем
DN=\frac{R_{2}}{R+R_{2}}\cdot GO=\frac{R_{2}(R-R_{2})}{R+R_{2}},

поэтому
DL=FK=FG-KG=FG-DN=2R-R_{2}-\frac{R_{2}(R-R_{2})}{R+R_{2}}=\frac{2R^{2}}{R+R_{2}}.

Из прямоугольного треугольника
ALD
получаем
AD^{2}=AL^{2}+DL^{2}=\left(2\sqrt{RR_{1}}-\frac{2R\sqrt{RR_{2}}}{R+R_{2}}\right)^{2}+\left(\frac{2R^{2}}{R+R_{2}}\right)^{2}=4RR_{1}=AF^{2}.

Значит,
AD=AF
, и следовательно,
AD
— касательная к окружности
\omega
, а также — общая касательная окружностей
\omega
и
\omega_{2}
, т. е. прямая
AD
— радикальная ось этих окружностей.
Аналогично докажем, что прямая
BC
— радикальная ось окружностей
\omega
и
\omega_{1}
. Тогда точка
Q
пересечения прямых
AD
и
BC
— радикальный центр окружностей
\omega
,
\omega_{1}
и
\omega_{2}
(см. задачу 6393). Следовательно,
QD=QC=QE
, т. е.
Q
— центр описанной окружности треугольника
CDE
. Что и требовалось доказать.