Пусть А — точка пересечения двух окружностей. Из этой точки по каждой окружности, по часовой стрелке, с постоянными скоростями начинают двигаться точки Х1 и Х2.Через один оборот обе точки вновь оказываются в A. Докажите, что всегда найдется такая неподвижная точка В, что всё время движения выполняется равенство Х1В = X2B.
Решение. Пусть две окружности пересекаются в точке A, точки X1, X2 едут по окружностям так как описано в задаче. Можно считать что нас интересуют в точности все описанные в задаче пары X1, X2 при которых (в противном случае проверять нечего при любом выборе P).
Если радиусы одинаковы, то в силе симметрии точка обладает указанным в задаче свойством, и все показано. Рассмотрим случай, когда радиусы различны. Заметим, что в этом случае найдутся два такие момента времени, что получающиеся в эти моменты отрезки не параллельны. Действительно, достаточно например взять на большей окружности концы диаметра перпендикулярного O1O2. Наклоны в эти моменты у и будут различны.
Возьмем произвольную точку отличную от A. Рассмотрим углы Заметим, что разность этих углов не зависит от того момента, в который взяты точки X1, X2. Значит, для некоторого α выполнено
Рассмотрим теперь разность По теореме косинусов в треугольниках получаем
Обозначим
отметим, что эти коэффициенты не зависят от момента, в который были взяты точки Тогда
Раскрывая косинус суммы получаем для некоторых чисел f, g, h, получим
Эта функция (для каждого выбора вообще говоря своя), пока проходит полный оборот, или тождественно равна нулю, или равна нулю не более чем при двух значениях этого угла (двух парах точек X1, X2). Но одно из них — начальное положение точек, теперь функция либо имеет не более одного ноля при допусловии либо тождественно равна нулю.
C другой стороны, она обращается в ноль при в точности тогда когда лежит на серединном перпендикуляре к невырожденному отрезку X1X2. Напомним, что найдутся два такие момента времени, что получающиеся в эти моменты отрезки не параллельны. Значит, серединные перпендикуляры к ним имеют общую точку. Возьмем именно ее в качестве Соответствующая ей функция в эти два момента времени обращается в ноль, при этом также выполнено Следовательно, эта функция — тождественный ноль. Но тогда такая — искомая.