Delta mi!

Niech okrąg opisany na trójkącie przecina proste w drugich punktach odpowiednio i Dowód przeprowadzimy w przypadku przedstawionym na rysunku, pozostałe można uzasadnić podobnie.

Rozważmy trójkąty i Z równości kątów wpisanych opartych na jednym łuku mamy więc ponieważ punkty i leżą po przeciwnych stronach prostej Podobnie Ponadto czworokąt jest wpisany w okrąg, zatem a stąd

Wobec tego trójkąty i spełniają założenia twierdzenia Stąd punkt przecięcia prostych i należy też do prostej

Pokażemy najpierw, że punkty leżą na jednym okręgu. Istotnie,

(ostatnia równość wynika z faktu, że proste i są prostopadłe odpowiednio do i ). Na podstawie twierdzenia Steinera pozostaje uzasadnić, że odbicia punktu względem boków trójkąta leżą na prostej jednakże jest to oczywiste, gdyż proste oraz są symetralnymi odcinków odpowiednio i

Niech prosta przecina półprostą w punkcie Trójki punktów oraz są, oczywiście, współliniowe. Oznaczmy przez przecięcie prostych i drugiej stycznej poprowadzonej z punktu do okręgu o środku w punkcie Łatwo zauważyć, że więc Oznacza to, że półprosta jest również styczna do okręgu o środku w punkcie stąd punkty i są współliniowe. Wobec tego

więc na czworokącie można opisać okrąg. Aby dokończyć rozwiązanie, wystarczy zauważyć, że obrazy punktu w symetrii względem prostych oraz leżą na prostej i zastosować twierdzenie Steinera.

Niech i oznaczają dla odpowiednio promienie okręgów wpisanych, obwody i pola powstałych czterech trójkątów. Wiemy, że wówczas dla każdego zachodzi równość W takim razie

co daje tezę.

Dla wskazany cel da się osiągnąć. W trzech ruchach wybieramy proste zawierające boki dużego trójkąta. Jego wierzchołki pozostaną białe (każdy zmieni kolor dwukrotnie), zaś środki boków staną się czarne. Teraz w jednym ruchu zmieniamy kolor dwóch z tych środków z powrotem na biały. Pozostaje jeden punkt czarny.

Także dla można uzyskać wymagany stan. Jak poprzednio, w trzech ruchach bierzemy proste, zawierające boki dużego trójkąta. Jego wierzchołki i jego środek staną się białe, pozostałe punkty siatki staną się czarne. W kolejnych trzech ruchach bierzemy proste równoległe do boków dużego trójkąta i przechodzące przez jego środek. Czarne punkty wybielą się, a punkt w środku się zaczerni.

Natomiast dla nie da się! W trójce punktów, będących wierzchołkami dużego trójkąta, po każdym ruchu jest parzysta liczba czarnych punktów (0 lub 2). Żaden z tej trójki nie może więc być owym punktem, który w pewnym momencie miałby stać się jedynym czarnym.

Każdy inny punkt siatki jest elementem pewnej szóstki punktów, tworzących sześciokąt foremny o boku 1. Również i w takiej szóstce każdy ruch powoduje zmianę koloru dokładnie dwóch punktów, więc niezmiennie jest w niej parzysta liczba czarnych punktów (0, 2, 4, 6). Pojedynczy czarny punkt pojawić się nie może.

Na czarno oznaczono usunięty kwadrat jednostkowy

Przeprowadzimy dowód indukcyjny. Dla teza jest prawdziwa: rozważana figura jest pojedynczym klockiem. Załóżmy, że teza zachodzi dla pewnego Niech będzie kwadratem o krawędzi z którego usuwamy jedno pole. Podzielmy na cztery przystające mniejsze kwadraty o krawędzi jeden z nich zawiera usunięte pole. Umieśćmy pojedynczy klocek na środku kwadratu w sposób przedstawiony na rysunku Wówczas na mocy założenia indukcyjnego każdy z czterech mniejszych kwadratów bez jednego pola da się szczelnie wypełnić klockami, co kończy dowód.

Gdy przekątne są prostopadłe, punkty i pokrywają się z i i nie ma czego dowodzić. Przyjmijmy dalej, nie tracąc ogólności, że kąt jest ostry (wtedy punkt leży między i zaś leży między i ). Czworokąt ma okrąg opisany (o średnicy ). Stąd oraz z zależności w trójkątach prostokątnych i dostajemy ciąg równości

Z ostatniej równości wynika położenie punktów na wspólnym okręgu.

Niech będzie takim punktem na prostej na zewnątrz okręgu że Zauważmy, że wówczas

Stąd trójkąty i są przystające, w szczególności W takim razie trójkąt jest równoramienny i

Analogicznie otrzymujemy równość W takim razie mamy

a stąd

Niech będzie punktem symetrycznym do względem środka okręgu. Wówczas jest średnicą okręgu, więc cięciwa jest prostopadła do odcinka a więc również równoległa do odcinka W takim razie jest trapezem równoramiennym, w szczególności Z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta otrzymujemy a stąd

Prosta jest prostopadła do więc jest nachylona do boków prostokąta pod kątem Ponadto kąt środkowy oparty na cięciwie jest prosty, a stąd

Czworokąt jest opisany na okręgu o średnicy W takim razie kąty i są równe.

Otrzymujemy, że trójkąty i są podobne. Analogicznie trójkąty i są podobne. W takim razie mamy podobieństwo trójkątów i a stąd

Bezpośrednio stąd wynika, że pole prostokąta jest równe

Zbudujmy taki trójkąt równoboczny że punkt leży w jego wnętrzu. Wówczas punkty i leżą na symetralnej odcinka więc Ponadto

W takim razie trójkąty i są przystające, w szczególności Stąd łatwo otrzymujemy

Punkty są położone na bokach symetrycznie (względem środków owych boków) do punktów w których okrąg wpisany jest do boków styczny. Przyjmijmy oznaczenia:

Oznaczając pole trójkąta nawiasem kwadratowym, uzyskujemy ciąg równości

Zastępując w liczniku przez otrzymujemy po krótkim rachunku wzór

(*)

Pozostaje teraz skorzystać ze znanych wzorów, wyrażających pole trójkąta (jak zwykle, i to promienie okręgów wpisanego i opisanego):

Dostajemy związki oraz które po wprowadzeniu do równości dają tezę zadania.

Niech będzie punktem przecięcia prostej z prostą a różnym od punktem przecięcia tej prostej z okręgiem opisanym na trójkącie (rysunek). Wówczas oraz

W takim razie trójkąty i są podobne, w szczególności Stąd prosta jest prostopadła do a więc również równoległa do - symetralnej Analogicznie proste i są równoległe. W takim razie odcinki i przecinają się w połowie jako przekątne równoległoboku.

---

W podobny sposób możemy pokazać, że prosta przechodzi przez środek odcinka co daje tezę.

Niech będzie punktem przecięcia przekątnych danego równoległoboku. Wówczas jest środkiem odcinka i odcinki przecinają się w jednym punkcie jako środkowe trójkąta

Z warunku wynika, że punkt jest środkiem łuku danego okręgu i kąty wpisane i są równe. Prosta jest więc dwusieczną kąta w trójkącie ; analogicznie proste i są dwusiecznymi pozostałych kątów tego trójkąta.

Niech będzie takim punktem boku że wtedy Wówczas punkty i są symetryczne względem dwusiecznej kąta zatem prosta jest symetralną odcinka Analogicznie prosta jest symetralną odcinka Symetralne boków trójkąta przecinają się w punkcie a stąd