Maths Olympiad Prep

Library / /9 of 42

Geometry Difficulty 5.3 AIME, harder Prove it Russia

Let BLBL be an internal angle bisector in a scalene triangle ABCABC, with L∈ACL \in AC. The extension of the median through BB meets the circumcircle ω\omega of ABCABC at point DD. A line ℓ\ell through the circumcenter of the triangle BDLBDL is parallel to ACAC. Prove that ω\omega is tangent to ℓ\ell.

Solution

Пусть MM — середина отрезка ACAC, SS — вторая точка пересечения прямой BLBL с окружностью ω\omega, NN — середина дуги ABCABC (см. рис. 8). Тогда SS — середина меньшей дуги ACAC окружности ω\omega, а точки M,S,NM, S, N лежат на серединном перпендикуляре к отрезку ACAC. Прямая BNBN — внешняя биссектрица угла ABCABC, поэтому BN⊥BLBN \perp BL. Тогда ∠LBN+∠LMN=90∘+90∘=180∘\angle LBN + \angle LMN = 90^\circ + 90^\circ = 180^\circ, откуда мы получаем, что четырехугольник BLMNBLMN — вписанный. Обозначим ∠MBL=α\angle MBL = \alpha. Тогда ∠MNL=α\angle MNL = \alpha. Также, так как BNDSBNDS — вписанный, ∠SND=∠SBD=α\angle SND = \angle SBD = \alpha.

Figure 1

Рис. 8

На продолжении отрезка DNDN за точку NN отметим точку TT так, что LN=NTLN = NT. Тогда ∠LNT=180∘−∠LNM−∠SND=180∘−2α\angle LNT = 180^\circ - \angle LNM - \angle SND = 180^\circ - 2\alpha, откуда следует, что ∠LTN=∠TLN=α\angle LTN = \angle TLN = \alpha. Значит,

∠LTD=α=∠LBD\angle LTD = \alpha = \angle LBD, поэтому точка TT лежит на окружности Γ\Gamma, описанной около треугольника BDLBDL. Пусть l′−l' - касательная в точке NN к окружности ω\omega. Поскольку SNSN — диаметр ω\omega, то l′⊥SNl' \perp SN и l′∥ACl' \parallel AC. Как мы знаем, SNSN является внешней биссектрисой угла LNTLNT, поэтому l′−l' - биссектриса угла LNTLNT. Так как TL=TNTL = TN, получаем, что l′l' является серединным перпендикуляром к отрезку TLTL, а потому проходит через центр окружности Γ\Gamma. Таким образом, прямые ll и l′l' совпадают, и прямая ll касается ω\omega.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement reproduced verbatim; metadata (topic, difficulty) added by this project.