В треугольнике ABC задано, что окружности, описанные вокруг треугольников AIB, BIC и CIA (I — центр вписанной окружности), имеют общую точку отличную от I; исследуйте и докажите, при каких треугольниках это возможно
Нет нетривиальных треугольников. Доказательство короткое. Пусть окружности (AIB),(BIC),(CIA)(AIB),(BIC),(CIA)(AIB),(BIC),(CIA) имеют общую точку P≠IP\neq IP=I. Тогда, поскольку P∈(AIB)P\in(AIB)P∈(AIB) и P∈(BIC)P\in(BIC)P∈(BIC), получаем P∈(AIB)∩(BIC).
P\in (AIB)\cap(BIC). P∈(AIB)∩(BIC).
Но каждая из окружностей (AIB)(AIB)(AIB) и (BIC)(BIC)(BIC) проходит через точки III и BBB, а две разные окружности пересекаются не более чем в двух точках; значит (AIB)∩(BIC)={I,B}.
(AIB)\cap(BIC)=\{I,B\}. (AIB)∩(BIC)={I,B}.
Отсюда P=BP=BP=B. Аналогично, рассматривая пары (BIC),(CIA)(BIC),(CIA)(BIC),(CIA) и (CIA),(AIB)(CIA),(AIB)(CIA),(AIB), получаем P=CP=CP=C и P=AP=AP=A. Это возможно только в вырожденном случае, когда вершины совпадают (т. е. треугольник вырожден). Для невырожденного треугольника противоречие. Следовательно для любого невырожденного треугольника три указанные окружности не имеют общей точки, отличной от III. Вырожденные случаи (совпадение вершин или совпадение соответствующих окружностей) тривиальны.
Пусть окружности (AIB),(BIC),(CIA)(AIB),(BIC),(CIA)(AIB),(BIC),(CIA) имеют общую точку P≠IP\neq IP=I. Тогда, поскольку P∈(AIB)P\in(AIB)P∈(AIB) и P∈(BIC)P\in(BIC)P∈(BIC), получаем
P∈(AIB)∩(BIC). P\in (AIB)\cap(BIC).
P∈(AIB)∩(BIC). Но каждая из окружностей (AIB)(AIB)(AIB) и (BIC)(BIC)(BIC) проходит через точки III и BBB, а две разные окружности пересекаются не более чем в двух точках; значит
(AIB)∩(BIC)={I,B}. (AIB)\cap(BIC)=\{I,B\}.
(AIB)∩(BIC)={I,B}. Отсюда P=BP=BP=B. Аналогично, рассматривая пары (BIC),(CIA)(BIC),(CIA)(BIC),(CIA) и (CIA),(AIB)(CIA),(AIB)(CIA),(AIB), получаем P=CP=CP=C и P=AP=AP=A. Это возможно только в вырожденном случае, когда вершины совпадают (т. е. треугольник вырожден). Для невырожденного треугольника противоречие.
Следовательно для любого невырожденного треугольника три указанные окружности не имеют общей точки, отличной от III. Вырожденные случаи (совпадение вершин или совпадение соответствующих окружностей) тривиальны.