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第3問

平面上に、互いに交わらず外部にある3つの円 Γ1,Γ2,Γ3\Gamma_1,\Gamma_2,\Gamma_3 を取る。3円の外部の各点 PP に対し、6点 A1,B1,A2,B2,A3,B3A_1,B_1,A_2,B_2,A_3,B_3 を次のように構成する。各 i=1,2,3i=1,2,3 について、直線 PAiPA_i と PBiPB_i がともに Γi\Gamma_i の接線となる相異なる点 Ai,BiA_i,B_i を Γi\Gamma_i 上に取る。3直線 A1B1,A2B2,A3B3A_1B_1,A_2B_2,A_3B_3 が一点で交わるとき PP を例外点と呼ぶ。存在するすべての例外点が同一円周上にあることを示せ。
ステップ 2/5: 接点弦を Ω 上に置く
Xi=POi∩AiBi,PXi⊥QXi⟹Xi∈ΩX_i=PO_i\cap A_iB_i,\quad PX_i\perp QX_i\Longrightarrow X_i\in\Omega
詳しい解説

Γ_i の中心と半径を O_i,r_i とし、X_i=PO_i∩A_iB_i とする。A_iB_i は P の極(接点弦)なので PO_i に垂直、従って PX_i は QX_i に垂直である。よって X_i は直径 PQ の円 Ω 上にある。