6116. Докажите, что две непересекающиеся окружности
S_{1}
и
S_{2}
(или окружность и прямую) можно при помощи инверсии перевести в пару концентрических окружностей.
Решение. Пусть
O_{1}
и
O_{2}
— центры непересекающихся окружностей
S_{1}
и
S_{2}
соответственно. Построим на прямой
O_{1}O_{2}
точку
C
, для которой касательные, проведённые из неё к окружностям
S_{1}
и
S_{2}
, равны. Эту точку можно построить, проведя радикальную ось этих окружностей.
Пусть
l
— длина этих касательных, а
O
и
Q
— точки пересечения окружности с центром
C
радиуса
l
с прямой
O_{1}O_{2}
. Ясно, что эта окружность перпендикулярна окружностям
S_{1}
и
S_{2}
.
Рассмотрим инверсию относительно произвольной окружности с центром
O
. При этой инверсии прямая
O_{1}O_{2}
, проходящая через центр инверсии, переходит в себя, а окружность с диаметром
OQ
, проходящая через центр
O
инверсии, — в прямую
a
, не проходящую через центр инверсии. Прямые
O_{1}O_{2}
и
a
имеют единственную общую точку
Q'
— образ точки
Q
при рассматриваемой инверсии.
Поскольку при инверсии сохраняются углы между окружностями, прямая
a
перпендикулярна образам
S_{1}'
и
S_{2}'
окружностей
S_{1}
и
S_{2}
, поэтому она проходит через центры окружностей
S_{1}'
и
S_{2}'
, лежащие на прямой
O_{1}O_{2}
, а так как прямые
O_{1}O_{2}
и
a
имеют ровно одну общую точку
Q'
, то центры окружностей
S_{1}'
и
S_{2}'
совпадают с этой точкой. Что и требовалось доказать.