5109. Дан вписанный
2n
-угольник с углами
\beta_{1}
,
\beta_{2}
,
\ldots
,
\beta_{2n}
. Докажите, что
\beta_{1}+\beta_{3}+\ldots+\beta_{2n-1}=\beta_{2}+\beta_{4}+\ldots+\beta_{2n}.

Верно ли обратное?
Ответ. Обратное верно только для
n=2
.
Указание. Композиция двух симметрий относительно пересекающихся осей есть поворот на угол, равный удвоенному углу между этими осями.
Решение. Пусть
A_{1}A_{2}\ldots A_{2n}
— вписанный
2n
-угольник с углами
\beta_{1}
,
\beta_{2}
,
\ldots
,
\beta_{2n}
соответственно. Тогда серединные перпендикуляры
l_{1}
,
l_{2}
,
\ldots
,
l_{2n}
к его сторонам
A_{1}A_{2}
,
A_{2}A_{3}
,
\ldots
,
A_{2n}A_{1}
пересекаются в одной точке
O
(центре описанной окружности).
Обозначим через
\alpha_{1}
,
\alpha_{2}
,
\ldots
,
\alpha_{2n}
углы между прямыми
l_{2n}
и
l_{1}
,
l_{1}
и
l_{2}
,
\ldots
,
l_{2n-1}
и
l_{2n}
, содержащие вершины
A_{1}
,
A_{2}
,
\ldots
,
A_{2n}
соответственно.
Композиция
2n
симметрий относительно прямых
l_{1}
,
l_{2}
,
\ldots
,
l_{2n}
есть тождественное преобразование (так как, например, точка
A_{1}
, не лежащая ни на одной из этих прямых, остаётся на месте), т. е. поворот на угол, кратный
360^{\circ}
.
С другой стороны, композиция симметрий относительно прямых
l_{1}
и
l_{2}
есть поворот на угол
2\alpha_{2}
вокруг точки
O
, относительно прямых
l_{3}
и
l_{4}
— поворот на угол
2\alpha_{4}
и т. д. Поэтому
2\alpha_{2}+2\alpha_{4}+\ldots+2\alpha_{2n}=360^{\circ}\cdot k

где
k
— целое. Тогда
\alpha_{2}+\alpha_{4}+\ldots+\alpha_{2n}=180^{\circ}\cdot k,

180^{\circ}-\beta_{2}+180^{\circ}-\beta_{4}+\ldots+180^{\circ}-\beta_{2n}=180^{\circ}\cdot k.

Отсюда находим, что
\beta_{2}+\beta_{4}+\ldots+\beta_{2n}=180^{\circ}\cdot(n-k).

Аналогично докажем, что
\beta_{1}+\beta_{3}+\ldots+\beta_{2n-1}=180^{\circ}\cdot(n-k).

Следовательно,
\beta_{1}+\beta_{3}+\ldots+\beta_{2n-1}=\beta_{2}+\beta_{4}+\ldots+\beta_{2n}.

Обратное утверждение верно лишь для
n=2
. В этом случае из равенств
\beta_{1}+\beta_{3}=\beta_{2}+\beta_{4},~\beta_{1}+\beta_{2}+\beta_{3}+\beta_{4}=360^{\circ}

следует, что
\beta_{1}+\beta_{3}=\beta_{2}+\beta_{4}=180^{\circ},

т. е. около четырёхугольника можно описать окружность.
Пусть
n\gt2.
Рассмотрим вписанный
2n
-угольник
A_{1}A_{2}\ldots A_{2n}
, в котором
\beta_{1}+\beta_{3}+\ldots+\beta_{2n-1}=\beta_{2}+\beta_{4}+\ldots+\beta_{2n}.

На его сторонах
A_{2}A_{3}
и
A_{1}A_{2n}
выберем отличные от вершин точки
P
и
Q
так, что
PQ\parallel A_{1}A_{2}
. Углы
2n
-угольника
PA_{3}\ldots A_{2n}Q
соответственно равны углам
2n
-угольника
A_{1}A_{2}\ldots A_{2n}
, но около
2n
-угольника
PA_{3}\ldots A_{2n}Q
нельзя описать окружность, так как, например, через точки
A_{2}
,
A_{3}
,
A_{4}
проходит единственная окружность, а точки
P
и
Q
на ней не лежат.