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2012年IMO几何预选题第6题

设有非等腰的 △ A B C \triangle ABC ABC, O O O I I I 分别为外心和内心. 在边 A C AC AC, A B AB AB 上分别存在两点 E E E F F F, 使得 C D + C E = A B CD+CE=AB CD+CE=AB, B F + B D = A C BF+BD=AC BF+BD=AC. 设 ( B D F ) (BDF) (BDF) ( C D E ) (CDE) (CDE) 交于 D D D, P P P. 求证: O I = O P OI=OP OI=OP.

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证明:

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不妨设 C > B C>B C>B

由密克定理可知 A A A, F F F, P P P, E E E 共圆.

设射线 A I AI AI, B I BI BI, C I CI CI 除端点外分别交 ( A E F ) (AEF) (AEF), ( B F D ) (BFD) (BFD), ( C D E ) (CDE) (CDE) X X X, Y Y Y, Z Z Z.

先证明 I I I, X X X, Y Y Y, Z Z Z 共于一圆, 且该圆的圆心为 O O O.

根据三弦定理有, 这等价于:

I X sin ⁡ ( π 2 − A 2 ) + I Y sin ⁡ ( π 2 − B 2 ) = I Z sin ⁡ ( π 2 + C 2 ) IX \sin (\frac{\pi}{2}-\frac{A}{2})+IY \sin (\frac{\pi}{2}-\frac{B}{2})=IZ \sin (\frac{\pi}{2}+\frac{C}{2}) IXsin(2π2A)+IYsin(2π2B)=IZsin(2π+2C)

整理得:

I X cos ⁡ ( A 2 ) + I Y cos ⁡ ( B 2 ) + I Z cos ⁡ ( C 2 ) = 0 IX \cos (\frac{A}{2})+IY \cos (\frac{B}{2})+IZ \cos (\frac{C}{2})=0 IXcos(2A)+IYcos(2B)+IZcos(2C)=0

根据三弦定理有:

( B D + B F ) sin ⁡ B 2 = B Y sin ⁡ B = > B Y = b 2 cos ⁡ B 2 (BD+BF)\sin \frac{B}{2}=BY \sin B=>BY=\frac{b}{2\cos \frac{B}{2}} (BD+BF)sin2B=BYsinB=>BY=2cos2Bb

类似地, 可以证明 A X = a 2 cos ⁡ A 2 AX=\frac{a}{2\cos \frac{A}{2}} AX=2cos2Aa, C Z = c 2 cos ⁡ C 2 CZ=\frac{c}{2\cos \frac{C}{2}} CZ=2cos2Cc

所以

I Y cos ⁡ ( B 2 ) = ( I B − B Y ) cos ⁡ ( B 2 ) = I B cos ⁡ B 2 − b 2 = ( p − b ) − b 2 IY\cos (\frac{B}{2})=(IB-BY)\cos (\frac{B}{2})=IB\cos \frac{B}{2}-\frac{b}{2}=(p-b)-\frac{b}{2} IYcos(2B)=(IBBY)cos(2B)=IBcos2B2b=(pb)2b

类似地, 可以证明 I X cos ⁡ ( A 2 ) = ( p − a ) − a 2 IX\cos (\frac{A}{2})=(p-a)-\frac{a}{2} IXcos(2A)=(pa)2a
I Z cos ⁡ ( C 2 ) = ( p − c ) − c 2 IZ \cos(\frac{C}{2})=(p-c)-\frac{c}{2} IZcos(2C)=(pc)2c

所以 I X cos ⁡ ( A 2 ) + I Y cos ⁡ ( B 2 ) + I Z cos ⁡ ( C 2 ) = 3 p − ( a + b + c ) − a + b + c 2 = 0 IX \cos (\frac{A}{2})+IY \cos (\frac{B}{2})+IZ \cos (\frac{C}{2}) = 3p - (a+b+c) - \frac{a+b+c}{2}=0 IXcos(2A)+IYcos(2B)+IZcos(2C)=3p(a+b+c)2a+b+c=0

所以 I I I, X X X, Y Y Y, Z Z Z 共圆.

易知若 I X = 2 ( O A cos ⁡ ∠ O A I − A X ) IX=2(OA \cos \angle OAI-AX) IX=2(OAcosOAIAX), 则 O I = O X OI=OX OI=OX
易知 ∠ O A I = C − B 2 \angle OAI = \frac{C-B}{2} OAI=2CB,

2 O A cos ⁡ ∠ O A I cos ⁡ ( A 2 ) = 2 O A cos ⁡ C − B 2 sin ⁡ B + C 2 = O A ( sin ⁡ C − sin ⁡ B ) = c − b 2 OA\cos \angle OAI \cos (\frac{A}{2})=2OA \cos \frac{C-B}{2} \sin \frac{B+C}{2}=OA (\sin C - \sin B)=\frac{c-b}{2} OAcosOAIcos(2A)=2OAcos2CBsin2B+C=OA(sinCsinB)=2cb

2 A X cos ⁡ A 2 = a AX \cos \frac{A}{2}=a AXcos2A=a

I X cos ⁡ A 2 = p − 3 a 2 IX\cos \frac{A}{2}=p-\frac{3a}{2} IXcos2A=p23a

I X cos ⁡ A 2 − 2 IX\cos \frac{A}{2}-2 IXcos2A2 [ O A cos ⁡ ∠ O A I cos ⁡ ( A 2 ) − A X cos ⁡ A 2 OA\cos \angle OAI \cos (\frac{A}{2})-AX \cos \frac{A}{2} OAcosOAIcos(2A)AXcos2A ]= p − 3 a 2 − c − b 2 − a = 0 p-\frac{3a}{2}-\frac{c-b}{2}-a=0 p23a2cba=0

所以 I X = 2 ( O A cos ⁡ ∠ O A I − A X ) IX=2(OA \cos \angle OAI-AX) IX=2(OAcosOAIAX) 成立, 进而 O I = O X OI=OX OI=OX.

所以 O I = O X OI=OX OI=OX.

类似地, 还可以证明 O I = O Y OI=OY OI=OY, O I = O Z OI=OZ OI=OZ.

所以该圆的圆心为 O O O.

∠ F P X = π − A 2 \angle FPX = \pi - \frac{A}{2} FPX=π2A

∠ F P Y = π − B 2 \angle FPY= \pi - \frac{B}{2} FPY=π2B

∠ X P Y = π 2 − C 2 = ∠ X Z Y \angle XPY= \frac{\pi}{2}- \frac{C}{2} = \angle XZY XPY=2π2C=XZY

所以 P P P ( X Y Z ) (XYZ) (XYZ) 上, 进而 O I = O P OI=OP OI=OP.

证毕.

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