Дано вписанное в окружность острое треугольник ABC; рассмотрите биссектрисы углов A и B, их пересечение I; докажите, при каких условиях точка I является центром гомотетии описанных окружностей треугольников AIC и BIC
Пусть Γ1=(AIC)\Gamma_1=(AIC)Γ1=(AIC) и Γ2=(BIC)\Gamma_2=(BIC)Γ2=(BIC). Точка III является центром гомотетии, переводящей Γ1\Gamma_1Γ1 в Γ2\Gamma_2Γ2, тогда и только тогда, когда касательные к этим окружностям в точке III совпадают (эквивалентно: центры окружностей и III лежат на одной прямой). По теореме о касательной и хорде угол между касательной в III и хордой ICICIC для Γ1\Gamma_1Γ1 равен углу ∠IAC\angle IAC∠IAC, а для Γ2\Gamma_2Γ2 — углу ∠IBC\angle IBC∠IBC. Отсюда касательные совпадают тогда и только тогда, когда ∠IAC=∠IBC.
\angle IAC=\angle IBC. ∠IAC=∠IBC.
Поскольку AIAIAI и BIBIBI — биссектрисы углов при вершинах AAA и BBB, имеем ∠IAC=∠A2\angle IAC=\tfrac{\angle A}{2}∠IAC=2∠A и ∠IBC=∠B2\angle IBC=\tfrac{\angle B}{2}∠IBC=2∠B. Следовательно условие равносильно ∠A2=∠B2⟺∠A=∠B.
\tfrac{\angle A}{2}=\tfrac{\angle B}{2}\quad\Longleftrightarrow\quad \angle A=\angle B. 2∠A=2∠B⟺∠A=∠B. Итог: точка III является центром гомотетии описанных окружностей треугольников AICAICAIC и BICBICBIC тогда и только тогда, когда ∠A=∠B\angle A=\angle B∠A=∠B (т. е. треугольник ABCABCABC равнобедренный с боковыми AC=BCAC=BCAC=BC).
По теореме о касательной и хорде угол между касательной в III и хордой ICICIC для Γ1\Gamma_1Γ1 равен углу ∠IAC\angle IAC∠IAC, а для Γ2\Gamma_2Γ2 — углу ∠IBC\angle IBC∠IBC. Отсюда касательные совпадают тогда и только тогда, когда
∠IAC=∠IBC. \angle IAC=\angle IBC.
∠IAC=∠IBC. Поскольку AIAIAI и BIBIBI — биссектрисы углов при вершинах AAA и BBB, имеем ∠IAC=∠A2\angle IAC=\tfrac{\angle A}{2}∠IAC=2∠A и ∠IBC=∠B2\angle IBC=\tfrac{\angle B}{2}∠IBC=2∠B . Следовательно условие равносильно
∠A2=∠B2⟺∠A=∠B. \tfrac{\angle A}{2}=\tfrac{\angle B}{2}\quad\Longleftrightarrow\quad \angle A=\angle B.
2∠A =2∠B ⟺∠A=∠B.
Итог: точка III является центром гомотетии описанных окружностей треугольников AICAICAIC и BICBICBIC тогда и только тогда, когда ∠A=∠B\angle A=\angle B∠A=∠B (т. е. треугольник ABCABCABC равнобедренный с боковыми AC=BCAC=BCAC=BC).