sábado, 21 de abril de 2018

Le Viet An Archimedean Circles

The following problem, by Le Viet An (Vietnam), was posted on the Facebook group Perú Geométrico asking to prove that the smallest circles shown on the image are Archimedean circles. Here I give a proof for one of these circles. 



I will give my own description of the problem and change the notation. 

Consider an arbelos configuration with $D$, $E$, $O$ and $P$ being the centers of semicircles with diameters $AC$, $BC$, $AB$ and $DE$, respectively. Let $G$ be the intersection of semicircles $BC$ and $DE$. Denote by $H$ the midpoint of segment $BG=2a$. Call $I$ the intersection of a perpendicular line from $H$ to $AB$ and let $J$ be the intersection of $HI$ with the circle with radius $DE$. Denote by $K$ the intersection of $EJ$ with semicircle $BC$. Let $L$ be the intersection of $OK$ with semicircle $AB$. The circle with radius $KL$ is Archimedean (Le Viet An).

Notation:

$AD=CD=r_1$
$BE=CE=EK=r_2$
$DP=EP=GP=\frac{r_1+r_2}{2}$
$DE=EJ=r_1+r_2$
$BH=GH=a$
$KL=x$



Proof. First, let's find an expression for $a$. Focus on triangle $BGP$ and cevian $GO$. By the Stewart's theorem we have

$$(\frac{r_1+r_2}{2})^2r_2+4a^2(\frac{r_1+r_2}{2})=r_2^2(r_2+\frac{r_1+r_2}{2})+r_2(\frac{r_1+r_2}{2})(r_2+\frac{r_1+r_2}{2})$$

Solving for $a$ and simplyfing we get 

$$a=\frac{r_2\sqrt{r_1+2r_2}}{\sqrt{2r_1+2r_2}}$$

Let $G'$ be on $AB$ such that $GG'$ is perpendicular to $AB$. Notice that $\triangle{BCG}\sim\triangle{BGG'}$, therefore,

$$\frac{BG'}{2a}=\frac{a}{r_2}$$

$$BG'=\frac{2a^2}{r_2}$$

As $H$ is the midpoint of $BG$ and $IH$ is parallel to $GG'$, then, $I$ is the midpoint of $BG'$. It follows

$$BI=\frac{a^2}{r_2}$$

$$HI=\sqrt{a^2-\frac{a^4}{r_2^2}}$$

$$EH=\sqrt{r_2^2-a^2}$$

By the Pythagorean theorem, 

$$EI^2+IH^2=EH^2$$

$$EI=\sqrt{r_2^2-2a^2+\frac{a^4}{r_2^2}}$$

Replacing $a$ by its expression in terms of $r_1$ and $r_2$, we get

$$EI=\frac{r_1r_2}{2(r_1+r_2)}$$

Remark. notice that the circle with radius $2EI$ is also Archimedean.


Let $K'$ be the orthogonal projection of $K$ on $AB$. 

$$\frac{EK'}{EI}=\frac{r_2}{r_1+r_2}$$

$$EK'=\frac{r_1r_2^2}{2(r_1+r_2)^2}$$

Focus on triangle $OKK'$. By the Pythagorean theorem,

$$KK'=\sqrt{(r_1+r_2-x)^2-[r_1+\frac{r_1r_2^2}{2(r_1+r_2)^2}]^2}$$

Now, focus on triangle $EKK'$, again, by the Pythagorean theorem,

$$(r_1+r_2-x)^2-[r_1+\frac{r_1r_2^2}{2(r_1+r_2)^2}]^2+\frac{r_1^2r_2^4}{4(r_1+r_2)^4}=r_2^2$$

Solving for $x$ and simplyfing we get two solutions for $x$,

$$x_1=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$

$$x_2=\frac{2r_1^2+3r_1r_2+2r_2^2}{r_1+r_2}$$

$x_2>r_1+r_2$, which is absurd from our configuration. Then, 

$$x=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$ 

The following are some other problems by Le Viet An.


In an arbelos, from $E$, draw a tangent line to semicircle $AC$, at $F$. Construct $G$ similarly. Let $H$ be the intersection of tangent lines $EF$ and $DG$. Let circle $(H, HC)$ cut semicircles $AC$ and $BC$ at $I$ and $J$, respectively. Call $I'$ the orthogonal projection of $I$ onto $AB$. Construct $J'$ similarly. Let $S$ be the center of circle bounded by circle with center at A, radius $AJ'$, circle with center at $B$, radius $BI'$, and semicircle $AC$. Construct circle centred at $T$ similarly. Then, circles centred at $S$ and $T$ are Archimedean twins (Le Viet An).




Proof. Let $CI$ cut $DH$ at $M$. Let $CJ$ cut $EH$ at $N$. Notice that $CDIH$ is a kite, then, $CI$ is perpendicular to $DH$ and, as a consequence,  $CM$ is parallel to $EG=r_2$. As $\triangle{CDM}\sim\triangle{EDG}$, we have

$$\frac{r_2}{\frac{CI}{2}}=\frac{r_1+r_2}{r_1}$$

$$CI=\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}$$

Remark. Notice that circle with radius $\frac{CI}{2}$ is Archimedean.

Notice also that $\triangle{CII'}\sim\triangle{EDG}$, then, 

$$\frac{CI'}{r_2}=\frac{CI}{r_1+r_2}=\frac{\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}}{r_1+r_2}=\frac{2r_1r_2}{(r_1+r_2)^2}$$

$$CI'=\frac{2r_1r_2^2}{(r_1+r_2)^2}$$

Similarly, notice that $\triangle{CEN}\sim\triangle{DEF}$, then, 

$$\frac{r_1}{CN}=\frac{r_1+r_2}{r_2}$$

$$CN=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$ 


Notice that $\triangle{CEN}\sim\triangle{CJJ'}$, then, 

$$\frac{CJ'}{\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}}=\frac{\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}}{r_2}=\frac{2r_1}{r_1+r_2}$$

$$CJ'=\frac{2r_1^2r_2}{(r_1+r_2)^2}$$



Focus on $\triangle{ASB}$ and cevian $DS$, if we call $x$ the radius of circle centred at $S$, from the Stewart's theorem we have

$$[2r_1+\frac{2r_1^2r_2}{(r_1+r_2)^2}-x]^2(r_1+2r_2)+[2r_2+\frac{2r_1r_2^2}{(r_1+r_2)^2}+x]^2r_1=$$

$$(2r_1+2r_2)[(r_1+x)^2+r_1(r_1+2r_2)]$$

Expanding, solving for $x$ and simplifying we get

$$x=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$

A similar reasoning goes for circle centred at $T$.

In an arbelos, let circle $(A, AC)$ cut semircircle $AB$ at $F$. Similarly, construct $G$. Call $D'$ the orthogonal projection of $D$ onto $BF$. Similarly, construct $E'$. Circles with centers at $D'$ and $E'$ and tagential to semicircles $AC$ and $BC$, respectively, are Archimedean (Le Viet An).


Proof. Notice that because of the Thales's theorem $AF$ is perpendicular to $BF$, therefore, $\triangle{ABF}\sim\triangle{BDD'}$. As a consequence, 

$$\frac{2r_1}{r_1+x}=\frac{2r_1+2r_2}{r_1+2r_2}$$

Where $x$ is the radius of circle centred at $D'$.

Isolating $x$ and simplifying,

$$x=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$

A similar reasoning goes for circle centred at $E'$.

In an arbelos, let semicircle $DE$ cut semicircles $AC$ and $BC$ in $F$ and $G$, respectively. Let $H$ be on chord $DF$ such that $\angle{CHF}=90^\circ$. Similarly, construct $I$. Then, circles with radii $HF$ and $IG$ are Archimedean (Le Viet An).


Proof. Because of Thales's theorem, $DF=r_1$ is perpendicular to $EF$. As a consequence, $\triangle{CDH}\sim\triangle{EDF}$. It follows 

$$\frac{r_1}{DH}=\frac{r_1+r_2}{r_1}$$

$$DH=\frac{r_1^2}{r_1+r_2}$$

$$FH=r_1-\frac{r_1^2}{r_1+r_2}=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$

A similar reasoning must show the congruency for circle with radius $GI$.

In an arbelos, let the circle $(B, BC)$ meet semicircle $AB$ in $F$. Similarly, construct $I$, on semicircle $AB$. Let $AF$ intersect semicircle $AC$ in $G$. Let $G'$ be the orthogonal projection of $G$ onto $AB$. The circle centred at $R$ is bounded by semicircle $AB$, circle $A(C)$ and the line $GG'$. Similarly, construct the circle centred at $S$. Then, the circles centred at $R$ and $S$ are Archimedean (Le Viet An). 



Proof. Notice that because of Thales's theorem $\angle{AGC}=\angle{AFB}=90^\circ$. Therefore, $\triangle{AGC}\sim\triangle{AFB}$. Thus, we have 

$$\frac{GC}{2r_2}=\frac{2r_1}{2r_1+2r_2}$$

$$GC=\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}$$

Remark. Notice that the circle with radius $\frac{GC}{2}$ is Archimedean. 

$$AF=\sqrt{(2r_1+2r_2)^2-4r_2^2}=2\sqrt{r_1^2+2r_1r_2}$$

$$\frac{AF}{AG}=\frac{2r_1+2r_2}{2r_1}$$

$$AG=\frac{2r_1\sqrt{r_1^2+2r_1r_2}}{r_1+r_2}$$

$$GC=\sqrt{4r_1^2-AG^2}=\sqrt{4r_1^2-\frac{4r_1^2(r_1^2+2r_1r_2)}{(r_1+r_2)^2}}$$

$$GC=\frac{2r_1\sqrt{4r_1r_2+r_2^2}}{r_1+r_2}$$

As $\triangle{AGG'}\sim\triangle{AGC}$, it follows

$$\frac{AG'}{AG}=\frac{AG}{AC}$$

$$AG'=\frac{2r_1(r_1^2+2r_1r_2)}{(r_1+r_2)^2}$$



Let $R'$ be the orthogonal projection of $R$ onto $AB$. If we call $x$ the radius of circle centred at $R$, by the Pythagorean theorem,

$$RR'=\sqrt{(2r_1+x)^2-(AG'-x)^2}$$

Focus on triangle $\triangle{ORR'}$. By the Pythagorean theorem 

$$[AO-(AG'-x)]^2+RR'^2=OR^2$$

If we replace the segments by their expressions in terms of $r_1$ and $r_2$, we have the following equation

$$[(r_1+r_2)-\frac{2r_1(r_1^2+2r_1r_2)}{(r_1+r_2)^2}+x]^2+(2r_1+x)^2-[\frac{2r_1(r_1^2+2r_1r_2)}{(r_1+r_2)^2}-x]^2=(r_1+r_2+x)^2$$

Expanding, solving for $x$ and simplifying you get

$$x=\frac{r_1r_2}{r_1+r_2}$$

A similar reasoning goes for circle centred at $S$.


jueves, 22 de febrero de 2018

Triángulos Semejantes y Cevianas

Algunos casos particulares de este resultado se han considerado previamente en este blog. Ver aquí y aquí.




$P$ y $Q$ son dos puntos en el interior de un triángulo $ABC$. $\triangle{A_pB_pC_p}$ y $\triangle{A_qB_qC_q}$ son los triángulos cevianos de $P$ y $Q$, respectivamente. Sobre los segmentos $BA_p$ y $CA_q$, se construyen los triángulos similares (y en la misma dirección) $\triangle{A_bApB}$ y $\triangle{A_cA_qC}$. Similarmente, construya $\triangle{B_cB_qC}$, $\triangle{AB_aB_p}$, $\triangle{AC_aC_q}$, $\triangle{BC_bC_p}$ (los triángulos erectos en un lado no son necesariamente similares a los de otro lado). La línea $A_bA_c$ intersecta las líneas $B_aB_c$, $C_aC_b$ en $Z$, $Y$, respectivamente. Las líneas $B_aB_c$, $C_aC_b$ se intersectan en $X$. 

Demuestre que $AX$, $BY$ y $CZ$ concurren. 




Demostración.

Apelaremos a la versión trigonométrica del Teorema de Ceva para demostrar la concurrencia.

Por la ley de senos,

$$\frac{B_cC}{sen\angle{CB_qB_c}}=\frac{B_qC}{sen\angle{CB_cB_q}}$$

$$B_cC=\frac{B_qC\cdot{sen\angle{CB_qB_c}}}{sen\angle{CB_cB_q}}$$

$$\frac{B_qC\cdot{sen\angle{CB_qB_c}}}{sen\angle{CB_cB_q}\cdot{sen\angle{B_cZC}}}=\frac{CZ}{sen\angle{CB_cZ}}$$

$$sen\angle{B_cZC}=\frac{B_qC\cdot{sen\angle{CB_qB_c}}\cdot{sen\angle{CB_cZ}}}{CZ\cdot{sen\angle{CB_cB_q}}}$$

Análogamente, 

$$sen\angle{B_aXA}=\frac{AB_p\cdot{sen\angle{AB_pB_a}}\cdot{sen\angle{AB_aX}}}{AX\cdot{sen\angle{AB_aB_p}}}$$

De donde obtenemos:

$$\frac{sen\angle{B_cZC}}{sen\angle{B_aXA}}=\frac{AX\cdot{B_qC}\cdot{sen\angle{CB_qB_c}}\cdot{sen\angle{CB_cZ}}}{CZ\cdot{AB_p}\cdot{sen\angle{AB_pB_a}}\cdot{sen\angle{AB_aX}}}$$

Ahora fijemos la atención en el cuadrilátero $XACZ$. Consideramos el caso en que los segmentos $AB_p$ y $CB_q$ no se solapan, sin embargo, un simple ajuste a la demostración será necesario para los casos en que se solapen o $B_p=B_q$.



Note que por ser $\triangle{AB_aB_p}$ similar a $\triangle{B_cB_qC}$, tenemos

$$\frac{sen\angle{CB_qB_c}}{sen\angle{AB_pB_a}}=\frac{sen\angle{CB_qB_c}}{sen\angle{B_qCB_c}}=\frac{B_cC}{B_cB_q}$$

Si $D$ es la intersección de las líneas $B_aB_p$ y $B_cB_q$, por el Teorema de Tales tenemos las siguientes proporciones:

$$\frac{CB_q}{B_cB_q}=\frac{CB_p}{B_cD}$$

$$\frac{AB_p}{B_aB_p}=\frac{AB_q}{B_aD}$$

$$\frac{B_cD}{B_aD}=\frac{CB_p\cdot{B_cB_q}\cdot{AB_p}}{CB_q\cdot{AB_q}\cdot{B_aB_p}}=\frac{sen\angle{B_cB_aB_p}}{sen\angle{B_aB_cB_q}}=\frac{sen\angle{CB_cZ}}{sen\angle{AB_aX}}$$

De este modo reescribimos 

$$\frac{sen\angle{B_cZC}}{sen\angle{B_aXA}}=\frac{AX\cdot{B_qC}\cdot{sen\angle{CB_qB_c}}\cdot{sen\angle{CB_cZ}}}{CZ\cdot{AB_p}\cdot{sen\angle{AB_pB_a}}\cdot{sen\angle{AB_aX}}}=$$

$$\frac{AX\cdot{B_qC}\cdot{B_cC}\cdot{CB_p}\cdot{B_cB_q}\cdot{AB_p}}{CZ\cdot{AB_p}\cdot{B_cB_q}\cdot{CB_q}\cdot{AB_q}\cdot{B_aB_p}}$$

$$\frac{sen\angle{B_cZC}}{sen\angle{B_aXA}}=\frac{AX\cdot{B_cC}\cdot{CB_p}}{CZ\cdot{AB_q}\cdot{B_aB_p}}=\frac{AX\cdot{B_qC}\cdot{CB_p}}{CZ\cdot{AB_p}\cdot{AB_q}}$$

Por analogía, 

$$\frac{sen\angle{A_cZC}}{sen\angle{A_bYB}}=\frac{CZ\cdot{BA_p}\cdot{BA_q}}{BY\cdot{CA_q}\cdot{CA_p}}$$

$$\frac{sen\angle{C_bYB}}{sen\angle{C_aXA}}=\frac{BY\cdot{BC_p}\cdot{BC_q}}{AX\cdot{AC_q}\cdot{AC_p}}$$

Por una simple inspección notamos, que por el Teorema de Ceva, la expresión siguiente se reduce a uno.

$$\frac{sen\angle{B_cZC}}{sen\angle{B_aXA}}\cdot\frac{sen\angle{A_cZC}}{sen\angle{A_bYB}}\cdot\frac{sen\angle{C_bYB}}{sen\angle{C_aXA}}=$$

$$\frac{AX\cdot{B_qC}\cdot{CB_p}}{CZ\cdot{AB_p}\cdot{AB_q}}\cdot\frac{CZ\cdot{BA_p}\cdot{BA_q}}{BY\cdot{CA_q}\cdot{CA_p}}\cdot\frac{BY\cdot{BC_p}\cdot{BC_q}}{AX\cdot{AC_q}\cdot{AC_p}}=1$$

$$Q.E.D.$$


sábado, 27 de enero de 2018

Una aplicación del Teorema de Ceva en su Versión Trigonométrica

Este es el punto de concurrencia 761 en la colección de puntos de concurrencia del Dr. Hans Walser. El problema se acredita a Abdilkadir Altintas.

Considere un triángulo $ABC$ y su incírculo. $E$, $F$ y $G$ son los puntos donde el incírculo de $ABC$ toca los lados $AC$, $AB$ y $BC$, respectivamente. Ahora considere el incírculo del triángulo $EFG$. $H$, $I$, $J$ son los puntos donde el incírculo de $EFG$ toca los lados $EG$, $FG$ y $EF$, repectivamente.

Demuestre que $AJ$, $BI$ y $CH$ concurren.


Demostración.
Apelaremos a la versión trigonométrica del Teorema de Ceva para demostrar la concurrencia. Es decir, demostraremos que

$$\frac{sen\angle{ECH}}{sen\angle{GCH}}\bullet\frac{sen\angle{GBI}}{sen\angle{FBI}}\bullet\frac{sen\angle{FAJ}}{sen\angle{EAJ}}=1$$

Note que $EJ=EH=m$; $GH=GI=n$; $FI=FJ=l$. También $CE=CG=o$.

Por la Ley de Senos, 

$sen\angle{ECH}=\frac{msen\angle{EHC}}{o}$

Análogamente, 

$sen\angle{GCH}=\frac{nsen\angle{GHC}}{o}$

Así,

$$\frac{sen\angle{ECH}}{sen\angle{GCH}}=\frac{msen\angle{EHC}}{nsen\angle{GHC}}$$

Pero $\angle{GHC}=180^\circ-\angle{EHC}$

De este modo tenemos que

$$\frac{sen\angle{ECH}}{sen\angle{GCH}}=\frac{m}{n}$$

Por analogía, 

$$\frac{sen\angle{GBI}}{sen\angle{FBI}}=\frac{n}{l}$$

$$\frac{sen\angle{FAJ}}{sen\angle{EAJ}}=\frac{l}{m}$$

De donde sigue que

$$\frac{sen\angle{ECH}}{sen\angle{GCH}}\bullet\frac{sen\angle{GBI}}{sen\angle{FBI}}\bullet\frac{sen\angle{FAJ}}{sen\angle{EAJ}}=\frac{m}{n}\bullet\frac{n}{l}\bullet\frac{l}{m}=1$$

$Q.E.D.$

En el siguiente enlace podrás ver la colección completa del Dr. Hans Walser, a la cual he contribuido las concurrencias 756, 757, 758, 759 y 760.

Schnittpunkte 







lunes, 31 de julio de 2017

Identidad en un Triángulo Equilátero

Ésta es mi solución a un sencillo pero elegante problema propuesto por Alejandro Minier.

En el triángulo equilátero $\triangle{ABC}$, una recta sale de $A$ e intersecta al lado $BC$ en un punto $P$ y al circuncírculo de $\triangle{ABC}$ en $Q$. Demuestre que:

$$\frac{1}{PQ}=\frac{1}{BQ}+\frac{1}{CQ}$$

Demostración.




$$AP⋅PQ=BP⋅CP$$


Despejando $PQ$, su recíproco esta dado por la siguiente expresión:

$$\frac{1}{PQ}=\frac{AP}{BP⋅CP}$$


Por el teorema de Van Schooten tenemos:

$$BQ+CQ=AQ$$
$$BQ+CQ=AP+PQ$$
$$BQ+CQ=AP+\frac{BP⋅CP}{AP}=\frac{AP^2+BP⋅CP}{AP}$$

Note que $\angle{AQB}=\angle{ACB}=\angle{ABC}=\angle{AQC}=60^\circ$. Por lo que $AQ$ bisecta el ángulo $\angle{BQC}$. Por propiedad de la bisectriz:

$$PQ^2+BP⋅CP=BQ⋅CQ$$

Note que 

$$\frac{1}{BQ}+\frac{1}{CQ}=\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}$$


De las expresiones obtenidas resulta:

$$\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}=\frac{AP^2+BP⋅CP}{AP}⋅\frac{1}{PQ^2+BP⋅CP}$$

$$\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}=\frac{AP^2+BP⋅CP}{AP}⋅\frac{1}{\frac{BP^2⋅CP^2}{AP^2}+BP⋅CP}$$

$$\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}=\frac{AP(AP^2+BP⋅CP)}{BP^2⋅CP^2+AP^2⋅BP⋅CP}$$

$$\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}=\frac{AP(AP^2+BP⋅CP)}{BP⋅CP(AP^2+BP⋅CP)}$$

$$\frac{BQ+CQ}{BQ⋅CQ}=\frac{AP}{BP⋅CP}$$

Por lo tanto, 

$$\frac{1}{PQ}=\frac{1}{BQ}+\frac{1}{CQ}$$
$$Q.E.D.$$



domingo, 30 de julio de 2017

XIX Olimpiada Matemática de Centroamérica y el Caribe 2017 - Problema 3

Dado un triángulo $ABC$, sean $D$ el pie de la altura desde $A$, y $L$ la recta que pasa por los puntos medios de $AC$ y $BC$. Sea $E$ la reflexión del punto $D$ respecto a $L$. Demuestre que el circuncentro del triángulo $ABC$ está sobre la recta $AE$. El examen completo lo puede encontrar aquí.

Demostración.



Sean $M_a$ y $M_b$ los puntos medios de los lados $BC$ y $AC$, respectivamente. Es obvio que $DM_b=AM_b=CM_b=R$, por ser $DM_b$ el radio de la circunferencia circunscrita del triángulo rectángulo $ACD$, que denotamos con $(ACD)$. Al ser $E$ la reflexión de $D$ respecto a la recta $M_aM_b$, el triángulo $DEM_b$ es isósceles y $DM_b=EM_b$, significando que $E$ yace en $(ACD)$. Denotemos con $D'$ la intersección de $DE$ con $M_aM_b$. Los triángulos $DD'M_a$ y $ABD$ son similares por propiedad de ángulos entre paralelas (note que $AB$ es paralela con $M_aM_b$ por propiedad del triángulo medial). Entonces, los ángulos $\angle{EDC}$ y $\angle{BAD}$ son congruentes. Además $\angle{BAD} = \angle{EDC} = \angle{EAC}$. Al ser $AO$ la conjugada isogonal de $AD$, $\angle{CAO} = \angle{BAD} = \angle{EAC}$. $\square$  

martes, 25 de julio de 2017

Otra Demostración de un Problema sobre un Triángulo Equilátero

Sea $ABC$ un triángulo equilátero y sea $\omega$ su circunferencia circunscrita. Sea $P$ un punto sobre la prolongación de $BA$ más allá de $A$, tal que $AP=AB$. Desde $P$ se trazan las tangentes $PQ$ y $PR$ a $\omega$, con puntos de tangencia $Q$ y $R$, respectivamente. Si $M$ es el punto medio de $AC$, demuestre que la cuerda $QR$ pasa por $M$.


Demostración. Considere la circunferencia circunscrita, $\kappa$, del triángulo $ACO$, donde $O$ es el circuncentro del triángulo $ABC$. Llamemos $D$ a la segunda intersección de $BO$ con $\kappa$. Note que las circunferencias circunscritas de los triángulos $ACO$, $BCO$ y $ABO$ son congruentes entre sí, por ser $ACO$, $BCO$ y $ABO$ triángulos congruentes. Ahora, por el teorema de Johnson, $\omega$ es congruente con $\kappa$. Dado que las circunferencias $\omega$ y $\kappa$ son congruentes y $BO$ es la mediatriz de $AC$, se sigue, por simetría con respecto al lado $AC$, que $D$ es la reflexión de $B$ con respecto a $AC$, y por tanto, $AD = AB$. El triángulo $ABD$ es isósceles con $\angle{BAD} = 120^\circ$, por lo que $\angle{DAP} = 60^\circ$, de donde se concluye que el triángulo $ADP$ es equilátero. Note que $\angle{PDO}=\angle{PDA} + \angle{ADB} = 60^\circ + 30^\circ = 90^\circ$. Pero también $\angle{PQO} = 90^\circ$. De donde resulta que el cuadrilátero $PDQO$ es cíclico. Como $\angle{PQO}$ y $\angle{PRO}$ son suplementarios, $R$ está en la circunferencia circunscrita al cuadrilátero $PDQO$. Sea $\Gamma$ la circunferencia $(PDQOR)$. Al ser $BO$ mediatriz de $AC$, $M=AC \cap DO$. Por el teorema de los ejes radicales, $M \in{QR}$, ya que $\operatorname{Rad}(\Gamma,\omega)=QR$,  $\operatorname{Rad}(\omega,\kappa)=AC$ y $\operatorname{Rad}(\kappa,\Gamma)=DO$.
$\square$



Éste es el problema 1 de un conjunto de siete problemas que publiqué en cut-the-knot.org en 2014. 

sábado, 22 de julio de 2017

IMO 1994/2

$ABC$ es un triángulo isósceles donde $AB= AC$. Suponga que  

1. $M$ es el punto medio de $BC$ y $O$ es un punto de la línea $AM$ tal que $OB$ es perpendicular a $AB$;

2. $Q$ es un punto arbitrario en el segmento $BC$ diferente de B y C;

3. $E$ yace sobre la línea $AB$ y $F$ está sobre la línea $AC$ tal que $E$, $Q$, $F$ son distintos y están alineados. Demuestre que $OQ$ es perpendicular a $EF$ sí y solo sí $QE = QF.$

Demostración.




Teorema 1 (Miquel). Las circunferencias circunscritas de los triángulos $\triangle{ABC}$, $\triangle{BEQ}$, $\triangle{AEF}$ y $\triangle{CFQ}$ concurren en un punto común que llamaremos $O'$, en particular, éste es el punto de Miquel del cuadrilátero completo $ABCEFQ$. 

Demostración. Éste es un hecho harto conocido, por lo que omitiré la demostración. De todos modos, puede encontrar una demostración de este hecho aquí. 

Lema 2. Las circunferencias circunscritas de los triángulos $\triangle{BEQ}$ y $\triangle{CFQ}$ son congruentes.

Demostración. Denotemos $\angle{CBA} = \angle{ACB} = \alpha$ y $QE = QF = x$. El radio de la circunferencia circunscrita del triángulo $\triangle{BEQ}$ está dado por la expresión:

$$R_{(BEQ)} = \frac{(BE)(BQ)(x)}{(4)(1/2)(BE)(BQ)sin\alpha} = \frac{x}{2sin\alpha}$$

Del mismo modo, el radio de la circunferencia circunscrita del triángulo $\triangle{CFQ}$ está dado por:

$$R_{(CFQ)} = \frac{(CF)(CQ)(x)}{(4)(1/2)(CF)(CQ)sin(180^\circ-\alpha)} = \frac{x}{2sin\alpha}$$

Así, $R_{(BEQ)} = R_{(CFQ)}$.

Lema 3. $O'Q$ es perpendicular a $EF$.

Demostración. Por el teorema 1, sabemos que el otro punto de intersección de las circunferencias $(BEQ)$ y $(CFQ)$, a parte de $Q$, debe ser el punto de Miquel, $O'$. Así, $O'Q$ es una cuerda común de las circunferencias congruentes $(BEQ)$ y $(CFQ)$, y, por lo tanto, $\angle{O'EQ} = \angle{O'FQ}$. De donde se concluye que el triángulo $\triangle{O'EF}$ es isósceles y al ser $Q$ el punto  medio del lado $EF$, $O'Q$ es una altura del triángulo $\triangle{O'EF}$, por lo que $O'Q$ es perpendicular a $EF$. 

Ahora basta con probar que $O'$ es precisamente el punto $O$ del problema original. Para eso debemos demostrar que $O'$ está en la recta $AM$ y que $O'B$ es perpendicular a $AB$. 

El cuadrilátero $EBO'Q$ es cíclico y sabemos que $O'Q$ es perpendicular a $EF$, por lo tanto, $\angle{EBO'} = 90^\circ$. Así, $O'B$ es perpendicular a $AB$. 

Finalmente, probaremos que $O'$ está en la recta $AM$, bisectriz del ángulo $\angle{BAC}$. Para eso demostraremos que $\angle{FAO'} = \angle{BAO'}$. Calculando ángulos tenemos:

$$\angle{FAO'} = \angle{CAO'} = \angle{CBO'} = \angle{QBO'} = \angle{QEO'} =$$
$$ \angle{QFO'} = \angle{EFO'} = \angle{EAO'} = \angle{BAO'}$$

Ésto demuestra que $O' = O$, y que por lo tanto, $OQ$ es perpendicular a $EF$.

Solo quedaría por probar el enunciado recíproco, pero será en otra ocasión.