Дан остроугольный треугольник ABC с ортоцентром H и основаниями высот Ha, Hb, Hc; найдите и докажите геометрическое место центров окружностей, проходящих через H и касающихся описанной окружности треугольника ABC
Геометрическое место — эллипс с фокусами OOO (центр описанной окружности) и HHH (ортоцентр), заданный уравнением XO+XH=R,
XO+XH=R, XO+XH=R,
где XXX — центр искомой окружности, RRR — радиус описанной окружности. Доказательство (кратко). 1) Пусть окружность ω\omegaω с центром XXX проходит через HHH и касается описанной окружности (O,R)(O,R)(O,R) в точке TTT. Тогда точки O,X,TO,X,TO,X,T коллинеарны, радиусы к точке касания сонаправлены, и если радиус ω\omegaω равен rrr, то при внутреннем касании XO=R−r.
XO=R-r. XO=R−r.
Поскольку ω\omegaω проходит через HHH, имеем r=XHr=XHr=XH. Следовательно XO+XH=R.
XO+XH=R. XO+XH=R. 2) Внешнее касание исключено: по неравенству треугольника для точек O,X,HO,X,HO,X,H имеет место ∣XO−XH∣≤OH|XO-XH|\le OH∣XO−XH∣≤OH, а в остроугольном треугольнике HHH лежит внутри описанной окружности, значит OH<ROH<ROH<R, поэтому равенство XO−XH=RXO-XH=RXO−XH=R невозможно. 3) Обратное направление: если точка XXX удовлетворяет XO+XH=RXO+XH=RXO+XH=R, положим r=XHr=XHr=XH. Тогда XO=R−rXO=R-rXO=R−r, следовательно окружности с центрами OOO и XXX и радиусами RRR и rrr соответственно касаются внутренне, а окружность радиуса rrr проходит через HHH. Значит любая такая точка XXX даёт требуемую окружность. Таким образом искомое геометрическое место центров — эллипс с фокусами OOO и HHH и суммой расстояний до фокусов, равной RRR.
XO+XH=R, XO+XH=R,
XO+XH=R, где XXX — центр искомой окружности, RRR — радиус описанной окружности.
Доказательство (кратко).
1) Пусть окружность ω\omegaω с центром XXX проходит через HHH и касается описанной окружности (O,R)(O,R)(O,R) в точке TTT. Тогда точки O,X,TO,X,TO,X,T коллинеарны, радиусы к точке касания сонаправлены, и если радиус ω\omegaω равен rrr, то при внутреннем касании
XO=R−r. XO=R-r.
XO=R−r. Поскольку ω\omegaω проходит через HHH, имеем r=XHr=XHr=XH. Следовательно
XO+XH=R. XO+XH=R.
XO+XH=R.
2) Внешнее касание исключено: по неравенству треугольника для точек O,X,HO,X,HO,X,H имеет место ∣XO−XH∣≤OH|XO-XH|\le OH∣XO−XH∣≤OH, а в остроугольном треугольнике HHH лежит внутри описанной окружности, значит OH<ROH<ROH<R, поэтому равенство XO−XH=RXO-XH=RXO−XH=R невозможно.
3) Обратное направление: если точка XXX удовлетворяет XO+XH=RXO+XH=RXO+XH=R, положим r=XHr=XHr=XH. Тогда XO=R−rXO=R-rXO=R−r, следовательно окружности с центрами OOO и XXX и радиусами RRR и rrr соответственно касаются внутренне, а окружность радиуса rrr проходит через HHH. Значит любая такая точка XXX даёт требуемую окружность.
Таким образом искомое геометрическое место центров — эллипс с фокусами OOO и HHH и суммой расстояний до фокусов, равной RRR.