2895. Две окружности, вписанные в сегмент AB
 данной окружности, пересекаются в точках M
 и N
. Докажите, что прямая MN
 проходит через середину C
 дополнительной для данного сегмента дуги.
Указание. 1) Точка C
 лежит на прямой, проходящей через точки касания вписанной в сегмент AB
 окружности с данной окружностью и хордой AB
.
2) Если прямая, проходящая через точку C
, касается вписанной в сегмент окружности в точке Q
, то CQ=AC
.
3) Геометрической место точек, разность квадратов расстояний от каждой из которых до концов данного отрезка постоянна, есть прямая, перпендикулярная этому отрезку (см. задачу 2445).
Решение. Пусть CQ
 — касательная, проведённая к окружности S_{1}
 (рис. 1), вписанной в сегмент AB
 данной окружности (Q
 — точка касания). Докажем сначала, что CQ=AC
.
Пусть G
 и H
 — точки касания окружности S_{1}
 с прямой AB
 и с данной окружностью S
 соответственно, а продолжение радиуса OC
 данной окружности пересекает хорду AB
 в точке K
. Тогда точки G
, H
 и C
 лежат на одной прямой (при гомотетии с центром H
, переводящей окружность S_{1}
 в окружность S
, точка G
 перейдёт в точку C
), а K
 — середина AB
. Применив теорему о касательной и секущей, теорему о произведении отрезков пересекающихся хорд и теорему Пифагора, получим, что
CQ^{2}=CG\cdot CH=CG(CG+GH)=CG^{2}+CG\cdot GH=
=(CK^{2}+KG^{2})+AG\cdot GB=(CK^{2}+KG^{2})+(AK+KG)(BK-KG)=
=(CK^{2}+KG^{2})+(AK+KG)(AK-KG)=(CK^{2}+KG^{2})+(AK^{2}-KG^{2})=
=CK^{2}+AK^{2}=AC^{2}.
 Следовательно, CQ=AC
. Что и требовалось доказать.
Вернёмся к нашей задаче. Пусть O_{1}
 и O_{2}
 — центры окружностей S_{1}
 и S_{2}
, вписанных в сегмент данной окружности S
 и пересекающихся в точках M
 и N
, а P
 — точка касания с окружностью S_{2}
 прямой, проходящей через точку C
. Тогда
CO_{2}^{2}=CP^{2}+O_{2}P^{2}=CP^{2}+O_{2}M^{2},~CO_{1}^{2}=CQ^{2}+O_{1}Q^{2}=CQ^{2}+O_{1}M^{2}.
 По доказанному выше, CQ=AC
. Аналогично, CP=AC
, поэтому CQ=CP
. Значит,
CO_{2}^{2}-CO_{1}^{2}=(CP^{2}+O_{2}M^{2})-(CQ^{2}+O_{1}M^{2})=O_{2}M^{2}-O_{1}M^{2}.
 Известно, что геометрической место точек, разность квадратов расстояний от каждой из которых до концов данного отрезка постоянна, есть прямая, перпендикулярная этому отрезку (см. задачу 2445). Следовательно, точки M
 и C
 лежат на прямой, перпендикулярной O_{1}O_{2}
. Аналогично, точки N
 и C
 лежат на прямой, перпендикулярной O_{1}O_{2}
, а так как через точку C
 проходит единственная прямая, перпендикулярная O_{1}O_{2}
, то точки C
, M
 и N
 лежат на одной прямой.
Примечание. Если вписанные в сегмент окружности не пересекаются, а касаются, утверждение остаётся верным; в этом случае прямую MN
 нужно заменить на касательную к окружностям в их общей точке.
Источник: Прасолов В. В. Задачи по планиметрии. — Ч. 1. — М.: Наука, 1991. — № 3.44
Источник: Прасолов В. В. Задачи по планиметрии. — 6-е изд. — М.: МЦНМО, 2007. — № 3.45, с. 62