2020年希望联盟第三次考试的第三个题目为:
1、已知:锐角△ABC中,以BC为直径的圆M交线段AB、AC于Q、P,
T为圆M上一点,过T作圆M的切线交AB、AC于E、F。
求证:以EF为直径的圆与△APQ的外接圆相切。
思路分析:
本题初看还是很"恐怖"的,两圆相切一般不易证明。
不过如果熟悉前面说到的证明两圆相切基本套路,先试试看再说吧,
两圆相切问题公切点一定很重要,设为J,
对于点J已经有两个圆过它了,根据经验,很有可能还有其他的圆也过J,因此J往往和密克点有关。
即J可能和图中的某些点共圆,
通过一段时间的尝试和探索,可以发现ETJQ共圆,对称的有FPJT共圆。
即J为QPT对△ABC的密克点。则AQJP共圆,这基本就差不多了。
下面只要说明此密克点J在以EF为直径的圆上,
这应该可以通过倒角完成,
∠EJF=∠EJT+∠FJT
=∠EQT+∠FPT=∠EQT+∠CQT=90°。
最后再过J做小圆的切线,
证明其为另一个大圆的切线即可,
这应该也不难通过倒角完成。
具体证明过程如下:
证明:
设EF与以BC为直径的圆的切点为T,圆APQ和圆EQT交于Q,J,
则∠JPF=∠AQJ=∠JTE,
∴PJTF共圆。
∴∠EJF=∠EJT+∠FJT
=∠EQT+∠FPT=∠EQT+∠CQT=90°,
故J在以EF为直径的圆上。
设过J的圆APQ的切线为OJ,
则∠OJF=∠QJE-∠QJO
=∠QTE-∠QPJ=∠QPT-∠QPJ=∠JPT=∠JFT,
∴OJ为以EF为直径的圆的切线。
故以EF为直径的圆和三角形APQ的外接圆相切。
注:本题虽然看起来来者不善,但是只要沉着应战,按照相切的常见套路,设出切点J,寻找含有J的共圆。一旦发现J为密克点,本题基本就能迎刃而解了。
无独有偶,2020韩国数学冬令营第一天的第5题也是一个类似的证明两圆相切的问题。题目为:
2、已知:四边形ABCD中,∠A=2∠C<90°.
过△ABD的内心I作AI的垂线与射线CB,CD
分别交于E,F。设O为△CEF的外心。过E作OE的垂线交OF于点Q,过F作OF的垂线交OE于点P。
求证:以PQ为直径的圆与△BCD的外接圆相切。
(2020韩国数学冬令营1-5)
思路分析:
此题图形比较复杂,大有乱花渐欲迷人眼之势。
似乎不好对付,但我们还是按部就班、按图索骥。
首先根据题意画出准确图形,并尽可能的把已知条件垂直等标上。
然后挖掘图形的基本性质,
∠EOFD=2∠C=∠BAD,
∠BIE=∠BIA-90°=0.5∠BDA=∠BDI等等。
关键还是要从结果入手,
要证两圆相切,切点至关重要,故设切点为X。
下面希望找到过X的其他圆,最好X为密克点。
一番探索发现X为BID对△CEF的密克点。
下面设出X的一个圆的切线,再证明其为另一个圆的切线,
这些都可以通过倒角完成。
具体证明如下:
证明:
设BID对△ECF密克点为X,
则BEXI,DFIX,DXBC共圆。
则∠BIE=∠BIA-90°=0.5∠BDA,
对称的∠DIF=0.5∠DBA,
∠EXF=360°-∠BXD-∠BXE-∠FXD
=180°+∠C-0.5∠BDA-0.5∠DBA
=180°+∠C-0.5(180°-2∠C)
=90°+∠O=180°-∠EPF,
∴XEPF共圆。
设过X的圆BCD切线为XK,
则∠EXK=∠EXB-∠BXK=∠BIE-∠BDX
=∠BDI-∠BDX=∠XDI=∠XFI,
∴XK为圆J切线。
从而以PQ为直径的圆与△BCD的外接圆相切。
注:
不难发现,本题虽然看起来一团乱麻,但是其实和上一题异曲同工,具体证明也是经典的套路。
其实这种套路并不罕见,下面再看一个著名的定理——曼海姆manheim定理,此定理在本公众号前面的文章中(金磊讲几何构型:鸡爪定理专题讲义02,金磊讲几何构型:切割线定理及其应用之三)反复提到过。
也提供了用圆幂及切割线定理的方法证明。
这里给出其逆命题的一个等价叙述,其实在《再说鸡爪定理》说到了,只是没有详细叙述,也没有给出证明,下面利用两圆相切的套路再给出一种证明方法。
3、点A在定圆O外,AJ,AK
为圆O切线,J,K为切点。过圆O上动点D的切线交AJ,AK于B,C。
求证:△ABC外接圆与某个定圆相切。
思路分析:
先猜出相切的圆的圆心和半径,
由对称性知圆心在AO上,
估计此圆还和点O有关,
猜测此圆还和AJ、AK相切,
且切点连线过O。
下面考虑如何证明两圆相切,
切点至关重要,设为G。
估计G还是密克点,
经过尝试发现G为OBC对△AHI
的密克点,不难倒角证明,
最后老一套,过G做一个圆的切线,
证明其是另一个圆的切线即可。
具体证明过程如下:
证明:
过O做HI⊥AO,过H做AB
垂线,交AO于E,不难得到本定理等价于证明ABC外接圆与圆E相切。
设圆BHO交CIO于点G,则∠HBG=∠IOG
=180°-ACG,故ABGC共圆。
又∠HGO=∠HBO=0.5∠B,
同理∠HGI=0.5∠C
故∠HGI=0.5(∠B+∠C)
=90°-0.5∠A=0.5∠HEI
故G在圆E上;
设MG为圆E的切线,
则∠CGM=∠IGM-∠IGC
=∠IHG-∠IGC=
∠OBG-∠IOC=∠OBG-∠OBC=∠CBG=∠CAG
故GM也为ABC外接圆的切线,
即△ABC外接圆与定圆E相切。
本文讲了三个证明两圆相切的题目,难度算是中等偏上一点。但是只要掌握了此类问题的经典讨论,发现切点为密克点,从而得到多圆都经过切点,后面再利用判定方法(3):过切点做一个圆的切线证明是另一个圆的切线,几乎此类问题都可以按图索骥完成证明。需要说明的是没有什么方法是万能的,不是每个两圆相切的问题中切点必然为密克点,切忌邯郸学步、生搬硬套。