2168. Теорема Понселе для треугольника. Одна окружность лежит внутри другой. Пусть для некоторой точки
A
большей окружности верно следующее утверждение: если из точки
A
проведена её хорда
AB
, касающаяся меньшей окружности, а из точки
B
проведена хорда
BC
большей окружности, отличная от
AB
и касающаяся меньшей окружности, то хорда
AC
касается меньшей окружности. Докажите, что тогда оно верно для произвольной точки
X
большей окружности.
Решение. Пусть
I
и
O
— центры окружностей радиусов
r
и
R
соответственно. Первая из этих окружностей вписана в треугольник
ABC
, а вторая описана около этого треугольника. По формуле Эйлера (см. задачу 126)
OI^{2}=R^{2}-2Rr

Из произвольной точки
X
большей окружности проведём различные хорды
XY
и
XZ
большей окружности, касающиеся меньшей. Предположим, что хорда
YZ
не имеет общих точек с меньшей окружностью. Будем увеличивать угол
YXZ
так, чтобы луч
XI
оставался его биссектрисой. Тогда расстояние от точки
I
до хорд
XY
и
XZ
будет увеличиваться (это расстояние равно
XI\sin\frac{\alpha}{2}
, где
\alpha=\angle YXZ
), а до хорды
YZ
уменьшаться.
В какой-то момент хорда
YZ
коснётся меньшей окружности. При этом расстояние
OI
и радиус
R
большей окружности не изменятся. Из формулы Эйлера следует, что не изменится и радиус меньшей окружности. Получено противоречие.
Аналогично, если предположить, что хорда
YZ
пересекает меньшую окружность. Следовательно, треугольник
XYZ
, вписанный в большую окружность, оказывается описанным около меньшей. Что и требовалось доказать.