平面幾何題目分享(19)2023烏克蘭奧林匹克幾何題
圓內(nèi)接四邊形ABCD滿(mǎn)足:AB,CD交于點(diǎn)Q,AD,BC交于點(diǎn)R,AC,BD交于點(diǎn)P。M,N分別為PR,PQ中點(diǎn),MN分別交AR,AQ,BC,CD于X,Y,K,L。求證:圓(AXY)與圓(CKL)相切。

對(duì)于證兩圓相切的問(wèn)題,刻畫(huà)切點(diǎn)是非常重要的。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,與完全四邊形有關(guān)的證兩圓相切的問(wèn)題,切點(diǎn)大多數(shù)都是密克點(diǎn)。結(jié)合目測(cè)估計(jì)法,我們不難猜到這個(gè)切點(diǎn)就是完全四邊形ABCDQR的密克點(diǎn)。我們現(xiàn)證兩圓都經(jīng)過(guò)這個(gè)點(diǎn)。

如上圖,由于這個(gè)完全四邊形比較特殊,所以其密克點(diǎn)就是點(diǎn)A在QR上的垂足。要證密克點(diǎn)E過(guò)兩個(gè)紅圓,即證ELCK,EYAX分別四點(diǎn)共圓。由平行及對(duì)視角相等,若有上述共圓,則∠LEC=∠LKC=∠BRQ=∠QAE=α。所以∠AQE=∠AYX=∠QEL=90°-α。所以我們只需證∠AYL=∠QEL。即證YLQE四點(diǎn)共圓。
這個(gè)四點(diǎn)共圓我們?nèi)匀豢梢杂脤?duì)視角相等來(lái)證明。利用完全四邊形的調(diào)和性,我們有A,C,P,E成調(diào)和點(diǎn)列,所以QA,QC,QP,QE成調(diào)和線(xiàn)束。又因?yàn)閄Y∥QE,所以Y,N,L與XY方向上的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)成調(diào)和點(diǎn)列,即N為YL中點(diǎn)。又因?yàn)镹為PQ中點(diǎn),所以PLQY是平行四邊形。所以∠YPL=∠YQL。MN又是△PQR的中位線(xiàn),PE⊥QR,所以P,E關(guān)于XY對(duì)稱(chēng)。由對(duì)稱(chēng)性,∠YPL=∠YEL=YQL。所以YLEQ四點(diǎn)共圓。
同理RXKE四點(diǎn)共圓,于是我們證明了點(diǎn)E是圓(CKL)與圓(AXY)的一個(gè)交點(diǎn)。
下面只需要證明兩圓圓心連線(xiàn)經(jīng)過(guò)點(diǎn)E。

簡(jiǎn)單導(dǎo)角,不難發(fā)現(xiàn)∠LEK=∠BAD=∠BAC+∠CAD=∠DQE+∠BRE。于是圓(LEQ)與圓(KER)相切。設(shè)圓(JKE)和圓(XYA)的圓心分別為F,G。易得∠FEK=90°-∠KLE=角CRQ。同理∠FEL=∠CQR。所以點(diǎn)F在圓(QLE)與圓(KRE)的內(nèi)公切線(xiàn)上。同理點(diǎn)G也在公切線(xiàn)上。但由于圓(QLE)與圓(KRE)外切,所以?xún)?nèi)公切線(xiàn)只有一條,即EFG三點(diǎn)共線(xiàn),即圓(AXY)與圓(CKL)相切。