5723. Окружности радиусов
r
и
R
касаются внешним образом в точке
A
. Прямая касается этих окружностей в различных точках
B
и
C
. Найдите радиусы описанной и вписанной окружностей треугольника
ABC
.
Ответ.
\sqrt{rR}
,
\frac{\sqrt{rR}(\sqrt{R}+\sqrt{r}-\sqrt{R+r})}{\sqrt{R+r}}
.
Решение. Предположим, что
r\lt R
. Опустим перпендикуляр
O_{1}F
из центра
O_{1}
окружности радиуса
r
на радиус
O_{2}C
большей окружности, проведённый в точку касания
C
. Из прямоугольного треугольника
O_{1}FO_{2}
находим, что
O_{1}F=\sqrt{O_{1}O_{2}^{2}-O_{2}F^{2}}=\sqrt{(R+r)^{2}-(R-r)^{2}}=2\sqrt{rR}.

Следовательно,
BC=O_{1}F=2\sqrt{rR}
.
Пусть общая касательная к окружностям, проведённая в точке
A
, пересекает отрезок
BC
в точке
M
. Тогда
MB=MA=MC
, т. е. медиана треугольника
ABC
, проведённая из вершины угла
A
, равна половине стороны
BC
. Значит,
\angle BAC=90^{\circ}
(см. задачу 1188). Радиус окружности, описанной около прямоугольного треугольника, равен половине гипотенузы, следовательно, радиус описанной окружности треугольника
ABC
равен
\sqrt{rR}
.
Продолжим хорду
AB
окружности радиуса
r
до пересечения со второй окружностью в точке
D
. Поскольку
\angle CAD=90^{\circ}
,
CD
— диаметр второй окружности. Обозначим
\angle ACB=\alpha
. Тогда
\angle BDC=\alpha
. Из прямоугольного треугольника
BCD
находим, что
\tg\alpha=\frac{BC}{CD}=\frac{2\sqrt{rR}}{2R}=\sqrt{\frac{r}{R}}.

Тогда
\cos\alpha=\frac{\sqrt{R}}{\sqrt{R+r}},~\sin\alpha=\frac{\sqrt{r}}{\sqrt{R+r}}.

Из прямоугольного треугольника
ABC
находим, что
AB=BC\sin\alpha=2\sqrt{rR}\cdot\frac{\sqrt{r}}{\sqrt{R+r}}=\frac{2r\sqrt{R}}{\sqrt{R+r}},

AC=BC\cos\alpha=2\sqrt{rR}\cdot\frac{\sqrt{R}}{\sqrt{R+r}}=\frac{2R\sqrt{r}}{\sqrt{R+r}}.

Известно, что радиус
x
окружности, вписанной в прямоугольный треугольник с катетами
a
,
b
и гипотенузой
c
, можно вычислить по формуле
x=\frac{a+b-c}{2}
(см. задачу 217). В нашем случае
x=\frac{AB+AC-BC}{2}=\frac{\frac{2r\sqrt{R}}{\sqrt{R+r}}+\frac{2R\sqrt{r}}{\sqrt{R+r}}-2\sqrt{rR}}{2}=\frac{r\sqrt{R}}{\sqrt{R+r}}+\frac{R\sqrt{r}}{\sqrt{R+r}}-\sqrt{rR}=

=\frac{\sqrt{rR}(\sqrt{R}+\sqrt{r}-\sqrt{R+r})}{\sqrt{R+r}}.