6394. Теорема Брианшона. Докажите, что диагонали
AD
,
BE
и
CF
описанного шестиугольника
ABCDEF
пересекаются в одной точке.
Решение. Доказательство А. С. Смогоржевского. Сначала докажем следующую лемму. Если в точках
P
и
Q
, лежащих на окружности, провести касательные к окружности и по одну сторону от прямой
PQ
отложить на них равные отрезки
PP'
и
QQ'
, то существует окружность, касающаяся прямых
PP'
и
QQ'
в точках
P'
и
Q'
.
Действительно, если
PP'\parallel QQ'
, доказательство очевидно. Если прямые
PP'
и
QQ'
пересекаются в точке
T
(рис. 1), а
O
— центр данной окружности, то
TO
— биссектриса угла
PTQ
,
TP'=TP-PP'=TQ-QQ'=TQ',

поэтому перпендикуляры к сторонам угла
PTQ
, восставленные из точек
P'
и
Q'
, пересекаются на
TO
в некоторой точке
O'
, равноудалённой от сторон угла. Следовательно,
O'
— центр окружности касающейся сторон угла в точках
P'
и
Q'
. Лемма доказана.
Вернёмся к нашей задаче. Пусть вписанная окружность шестиугольника
ABCDEF
касается его сторон
AB
,
BC
,
CD
,
DE
,
EF
и
AF
соответственно в точках
K
,
L
,
P
,
M
,
N
и
Q
(рис. 2). На лучах
AF
,
CD
,
AB
,
ED
,
EF
и
CB
отложим отрезки соответственно
QQ'=PP'=KK'=MM'=NN'=LL'
. По лемме существуют окружности:
S_{1}
— касающаяся прямых
CD
и
AF
в точках
P'
и
Q'
,
S_{2}
— касающаяся прямых
AB
и
ED
в точках
K'
и
M'
,
S_{3}
— касающаяся прямых
CB
и
EF
в точках
L'
и
N'
.
Из равенств
BK=BL
и
KK'=LL'
следует, что
BK'=BL'
, а из равенств
NN'=MM'
и
EN=EM
следует, что
EN'=EM'
. Значит, у точек
B
и
E
одинаковые степени относительно окружностей
S_{2}
и
S_{3}
(касательные, проведённые из точек
B
и
E
к этим окружностям, попарно равны). Следовательно, прямая
BE
— радикальная ось этих окружностей. Аналогично докажем, что прямая
AD
— радикальная ось окружностей
S_{1}
и
S_{2}
, а прямая
CF
— радикальная ось окружностей
S_{1}
и
S_{3}
. Поскольку центры окружностей
S_{1}
,
S_{2}
и
S_{3}
не лежат на одной прямой, их радикальные оси пересекаются в одной точке — радикальном центре трёх этих окружностей. Что и требовалось доказать.


Примечание. Пусть окружность, вписанная в четырёхугольник
ABCD
, касается его сторон
AB
,
BC
,
CD
и
CE
в точках
E
,
F
,
G
и
H
соответственно. Рассматривая этот четырёхугольник как вырожденный описанный шестиугольник
AEBFCD
можно доказать, что отрезки
AF
,
CE
и
BD
пересекаются в одной точке.