Дан вписанный четырёхугольник ABCD. Окружности с диаметрами AB и CD пересекаются в двух точках X1 и Y1. Окружности с диаметрами ВС и АD пересекаются в двух точках X2 и Y2. Окружности с диаметрами AС и ВD пересекаются в двух точках X3
пересекаются в одной точке.
(М. Дидин)
I способ. Наряду с каждой точкой M будем рассматривать её радиус-вектор где O — центр описанной окружности четырёхугольника ABCD.
Радиус-вектор центра окружности построенной на отрезке
как на диаметре, равен
а её радиус равен
Степень точки S с радиус-вектором
относительно
равна
(поскольку Очевидно, степень точки S относительно
будет такой же. Значит, S лежит на радикальной оси
этих окружностей. Аналогично S лежит на
и
что и требовалось. Вариация. Пусть K, L — середины сторон AB и CD, а точка S симметрична центру O относительно центра тяжести вершин A, B, C, D . Тогда
параллелограмм (см. решение 2). Значит,
Это значит, что степени точки относительно окружностей и
равны, поэтому S лежит на радикальной оси
этих окружностей. Аналогично S лежит на
и
что и требовалось.
II способ. Теорема Монжа. Перпендикуляры, опущенные из середин сторон вписанного четырёхугольника ABCD на противоположные стороны и из середин его диагоналей на противоположные диагонали, проходят через одну и ту же точку (точку Монжса).
Доказательство. Докажем, что точка Монжа совпадает с точкой G, симметричной центру O описанной окружности относительно центра тяжести S вершин A, B, C, D (S является общей серединой двух отрезков, соединяющих середины противоположных сторон, и отрезка, соединяющего середины диагоналей четырёхугольника ABCD).
В самом деле, если и
— середины сторон AB и CD соответственно, то в четырёхугольнике
диагонали точкой пересечения делятся пополам, значит, он - параллелограмм. Так как
и
то
и
то есть два перпендикуляра из условия проходят через G. Аналогично через G проходят остальные четыре перпендикуляра. (Случаи, когда O и S совпадают, или какие-то из указанных параллелограммов вырождаются в отрезки, очевидны.)
Перейдём к решению задачи. Если в четырёхугольнике есть пара параллельных сторон, то утверждение очевидно, так как в силу симметрии две из прямых будут срединными перпендикулярами к этим параллельным сторонам, то есть совпадут, а третья прямая будет им перпендикулярна. Поэтому далее считаем, что параллельных сторон нет. Пусть
—
— окружность, построенная на отрезке AB как на диаметре, и т. д.,
— середина AB, и т. д., K — точка пересечения прямых AB и
Тогда K — радикальный центр окружностей
и
Радикальная ось
окружностей
и
перпендикулярна их линии центров, то есть содержит высоту треугольника
Значит,
проходит через точку пересечения высот этого треугольника — точку Монжа G. Аналогично через эту точку проходят прямые
и

