444. Remarkable points in a triangle.
by Virgil Nicula, May 21, 2016, 1:15 AM
P1 (Evgeniy Kulanin).
, where
is midpoint of
,
is Nagel's point,
is Gergonne's point and
is Feuerbach's point .
Proof. I"ll prove that
See aici. Denote the second intersection
of the Euler's circle with the median
,
the orthocenter
, the point
and the midpoint
of the segment
Is well known that the points
belong to the Euler's circle and from the power
of the point
w.r.t. this circle obtain that

Hence
, i.e. 
![$1+\frac {(p-a)[(p-b)+(p-c)]}{(p-b)(p-c)}$](//latex.artofproblemsolving.com/b/4/1/b41158afb478852d0996dda3d437a98231fc6091.png)

, where
Denote
, where
From
and
obtain
that
Thus,
, i.e.
Also,
, i.e. 
![$2\left(b^2+c^2\right)\left[a(b+c)-a^2-bc\right]\ \iff\ \left[a(b+c)-\left(b^2+c^2\right)\right]^2=0\ \iff\ \boxed{\ a(b+c)=b^2+c^2\ }\ .$](//latex.artofproblemsolving.com/d/e/3/de376a0677b2434b9f6b69a0587229b8795d44a5.png)
Observatie. Apropo de subiectul topicului "Puncte importante intr-un triunghi". Pentru cei care nu cunosc semnificatiile punctelor remarcabile mentionate in enuntul problemei propuse le recomand sa consulte Google unde, spre surprinderea lor, vor intalni cel putin 100 de asemenea puncte ceea ce inseamna ca triunghiul a fost si ramane o preocupare de secole a multor matematicieni, multi dintre ei cu rezultate remarcabile la nivel inalt. In demonstratie am folosit urmatoarele relatii metrice dintr-un triunghi care se pot dovedi fara dificultate

P2 (Cezar Lupu). Prove that
there is the inequality
(Cezar Lupu, Mathematical Reflections 2009).
Proof.

Lemma.
Proof.

what is true. Have equality 
Particular case..
Therefore,

This wel known inequality has an remarkable geometrical interpretation,
Indeed, from the Leibniz's identity
for
a.s.o. obtain 
P3 (ONM Germany). Let
with the orthocenter
, the circumcircle
and the incircle
Denote
Prove that 
Proof.
and
are with barycentrical coordinates w.r.t.
Thus,
,
and 
In conclusion
P4 Daca paralelele duse prin punctele de contact ale cercului inscris cu laturile unui triunghi la medianele corespunzatoare ale acestuia sunt concurente, atunci triunghiul este isoscel.
Proof. In
denote : the midpoint
of
; the tangent points
,
,
of its incircle;
for which
and analogous points
,
Show easily that
. Obtain analogously
and
Therefore,
(the Ceva's theorem) in
(vezi aici).
Remark. Denote
,
,
Prove easily that
, i.e.
and analogous ratios.
Hence
See here
==========================================================================================================================================
Se arata usor identitatea
Notam
si
Se arata usor ca
Deoarece
obtinem

Asadar obtinem sirul de rapoarte (proportia) 
In concluzie, 
P5. the points
are centroid, orthocenter, incenter and circumcenter respectively of
.
Proof.
. Since
belongs to the disk with diameter
obtain
Apply Stewart'
relation to cevian
in
. Thus,

. Therefore,
.
Remark.
P6. Fie
ascutit cu ortocentrul
,
ortic si paralelogramele
,
,
Aratati ca
(Gh. Szollosy, R.M.T. 1/2009).
Comentariu. Cand intalniti o problema, incercati sa o demonstrati folosind cu "zgarcenie" datele din ipoteza. In felul acesta s-ar putea sa nu va bizuiti in demonstratie pe anumite particularitati ale punctelor/liniilor din figura asociata. De fapt in cele din urma ati gasit si totodata ati demonstrat o extindere/generalizare a acesteia. Iata mai jos generalizarea problemei propuse in RMT.
Generalizare. Fie
ascutit, un punct interior
pentru care notam
si paralelogramele
,
,
Aratati ca 
P7. Sa se arate ca in
avem echivalenta
si in acest caz 
Demonstratie.
Ecuatia
are solutiile
Asadar,
Dar in orice triunghi sunt adevarate relatiile
Deci
Prin urmare avem
Avem
, adica
sunt conciclice
Din teorema Sinusurilor aplicata in


P8. Fie
raza cercului circumscris si
mijlocul lui
(notatii standard). Aratati ca exista relatia
(O.M. 1997 - Ungaria).
Demonstratie. Se poate folosi relatia lui Leibniz pentru orice punct
din plan
Notam puterea
a lui
in raport cu cercul circumscris
Stim ca
,
si pentru orice punct
exista relatia Leibniz 
Pentru
, obtinem
, adica 
P9. Fie
ortic al
unde
si mijloacele
ale
respectiv. Sa se arate ca 
Demonstratie. Notam mijloacele
ale lui
Din faptul ca
rezulta ca
sunt omoloage in asemanare, ceea ce inseamna
ca
adica
este
-simediana in
In concluzie,
sunt simediane si se stie ca sunt concurente in centrul simedian (Lemoine) al 
Extindere. Fie
si
astfel incat
Fie
Sa se arate ca
si in acest caz ce se poate spune de cele trei puncte de concurenta, sunt intotdeauna coliniare sau nu ?
P10 (Relatia lui Stewart). Fie
un triunghi oarecare si
Sa se demonstreze ca 
Metoda 1. Notam
pentru care
Presupunem fara a restrange generaltatea ca
Aplicam teorema lui Pitagora generalizata in triunghiurile 


Metoda 2 (inedita !). Notam cercul circumscris
al triunghiului
si

Se stie sau se arata usor ca
Aplicam teorema lui Ptolemeu
Inmultim aceasta relatie cu 
si folosim relatiile
Metoda 3 (inedita !). Vom folosi notatiile din metoda 2 la care adaugam
Presupunem f.r.g.
adica
si
Astfel,
In concluzie, relatia lui Stewart
este
echivalenta cu

ceea ce este adevarat.
Comentariu. Ultimele doua metode sunt culese din lucrarile elevilor din clasa a IX - a pe care i-am avut de-a lungul timpului din care cele mai frumoase le-am pastrat. Obisnuiam sa le dau ca subiect o chestiune teoretica de rezolvat, cu intentia de a gasi si alta solutie decat cea din manual sau cea oferita de profesor. Astfel elevul realiza ca si problemele remarcabile au aparut tot ca niste probleme propuse, insa avand calitatea de a fi "scurtaturi" in rezolvarea unor probleme mult mai dificile. Voi reveni curand si cu metoda a patra care mie mi se pare cea mai ingenioasa la nivelul unui elev de clasa a IX - a (Mihai Esanu, de multa vreme la Paris !).
P11. Fie triunghiurile isoscele
astfel incat
si
Notam
Aratati ca
semidreapta
este una din bisectoarele unghiului 
Demonstratie. Notam
Aplicam teorema lui Menelaus transversalelor

in
Aplicam teorema lui Ceva lui
si la 
In concluzie,
semidreapta
este una dintre bisectoarele unghiului 
P12 (Manuela Prajea: clasa a VII - a lista scurta 2009). Fie
si
punctele de contact ale cercului inscris
cu
respectiv.
Bisectoarea unghiului
intersecteaza cercul circumscris
in punctul
iar
taie din nou acelasi cerc in
Demonstrati ca
este inscriptibil.
Demonstratie. Fie diametrul
al cercului
Se observa ca
deoarece
si

ceea ce este adevarat
puterea punctului
fata de
Asadar
, adica
este un
patrulater inscriptibil. Mai exact
ceea ce inseamna ca
, adica
apartine cercului cu diametrul
In concluzie, patrulaterul
este inscriptibil.
Observatie. Frumoasa problema, insa depaseste cu mult nivelul clasei a VII - a. Probabil acesta a fost motivul pentru care a ramas doar pe lista scurta. Ar fi mers foarte bine in finala la clasa
a IX - a, insa aici geometria se face vectorial in exclusivitate ceea ce inseamna ca avem si aici o "piedica". Imi permit sa adaug si o relatie metrica in plan secund:
Intr-adevar, aplicam teorema medianei
in

P13. Aratati ca in orice
exista relatiile
si
Cand are loc egalitatea ?
Proof.


P14. Sa se arate ca
Proof.
Identitatea
pentru
devine





Inlocuind pe
si ridicand la patrat, inegalitatea de demonstrat devine
ceea ce este adevarat. Egalitatea are loc daca si numai daca 
P15. Consideram
si un punct
Notam proiectiile
ale lui
pe
respectiv
si punctul
Cercul circumscris al
taie din nou
in
Sa se arate ca 
Cazuri particulare.
(ortocentrul
). In acest caz punctul
este mijlocul lui

(centrul cercului inscris in
). In acest caz punctul
este 
Proof. Patrulaterul
este inscris in cercul de diametru
Notam
- cel de al doilea punct de intersectie al cercului circumscris patrulaterului
cu cercul circumscris al
Asadar, dreapta
este axa radicala a cercurilor
si
Axa radicala a cercului
si a cercului
este dreapta
axa radicala a cercurilor
si
este dreapta
punctul
este centrul radical al cercurilor
si
Deoarece
si
au diametre respectiv
si
rezulta ca
punctele
,
si
sunt coliniare si 
P16. Fie
cu bisectoarele
,
,
unde
,
si
Mediatoarele segmentelor
intalnesc dreptele
in punctele
respectiv. Sa se arate ca 
Demonstratie 1 (sintetic). Notam
-bisectoarea exterioara
, unde
Din
obtinem
si

adica dreapta
este tangenta cercului circumscris la
Asadar,

Analog
si
Aplicarea teoremei Menelaus la
confirma 
Demonstratie 2. Fie
pentru care
si
Din relatia cunoscuta (lungimea bisectoarei)
obtinem 
Aplicam teorema lui Menelaus la
si

Observatie (retineti si dovediti !). Fie cercul inscris
si
,
Atunci
si cercul cu centrul
si raza ![$\rho_a=[NM]$](//latex.artofproblemsolving.com/2/8/e/28e06106cc5009d8dd61f7d2a826b67e3cd4fa57.png)
este tangent arcului de cerc circumscris care este subintins de
(cercul
-mixtliniar este cercul tangent la
si tangent intern cercului circumscris al 
Remarca. Proprietatea "
,
sunt coliniare" este cunoscuta (caz degenerat al teoremei lui Pascal).
Am notat
- tangenta in
la cercul circumscris al
Va invit sa incercati mai multe solutii si daca se poate cel putin o generalizare.
Demonstratie 3 (metric). Fie
mijlocul lui
,
,
Deci
se afla pe mediatoarea


este
-isoscel
In
aplicam teorema lui Menelaus pentru transversala 
Din
si
obtinem
Produsul

P17 (The Mathscope-Vietnam; Nr.5/2010). Let
with the circumcircle
and the incircle
Denote the second
intersections
of
with
Prove that
Proof.
Can use the identities
and
P18 (IRAN, 2011). In
let
and
be the tangent points of incircle
with
and
respectively. The tangent at
to the circumcircle
of
intersects
at
. Prove that

where
,
and
is the Lemoine's point (symmedian center) .
Proof. Suppose w.l.o.g.
.
.
.
.
.
is the conjugate of
w.r.t.
is polar line of
.
P19. Let
with the centroid
the incircle
and the Nagel's point
Prove that 
Proof. Suppose w.l.o.g.
and let the midpoint
of
and
where

and
I"ll use the van Aubel's relation 
Apply the Cristea's relation

what is true, i.e.
Now I"ll apply an well known identity
i.e. 
P20. Given
and
inside the triangle. Let
be the projections of
onto
respectively. Find the position of
which satisfies 
Proof. Let
be the intersections of
with the opposite sidelines respectively and
be the area of
Therefore,
In conclusion,
is the Lemoine's point.
Remark. The Lemoine's point
(symmedian center is isogonal conjugate of the centroid
) has the barycentrical coordinates
w.r.t. 
P21. Let
with the orthocenter
the Lemoine's point
the midpoint
of
and the intersections
Prove that
Proof. Denote
Thus,
From the Van Aubel's relation obtain that
Apply
the Cristea's relation

Prove easily that
and
Therefore, 
In conclusion, 
P22 (Kadir Altintas - Turkey). Let
with orthocenter
midpoint
of
,
so that
Prove that
Proof 1. Let orthic
of
where
and
so that
and
Thus,
are cyclic,
i.e.
, i.e.
is cyclic

and midpoint
of
belongs to
So
is midline of trapezoid

Proof 2. I"ll use same notations from previous proof. Denote the projections
of
on
respectively and
where
Thus,
and



![$[BC]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/a/1/ea1d44f3905940ec53e7eebd2aa5e491eb9e3732.png)



Proof. I"ll prove that



the orthocenter



![$[AH]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/1/5/0/15001817fd98392bc5fe5ead4e8cedef91b868b9.png)

of the point












![$1+\frac {(p-a)[(p-b)+(p-c)]}{(p-b)(p-c)}$](http://latex.artofproblemsolving.com/b/4/1/b41158afb478852d0996dda3d437a98231fc6091.png)









that




![$MS=\frac {2m_a\left[a(b+c)-a^2-bc\right]}{b^2+c^2-a^2}\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/1/4/5/1456270a82e4a0e97c6abe4b53882cc71d4bd141.png)


![$\frac {2m_a\left[a(b+c)-a^2-bc\right]}{b^2+c^2-a^2}\cdot $](http://latex.artofproblemsolving.com/d/a/5/da552ac7ca497e9b7e65e7cfcb2c940fd7543352.png)


![$2\left(b^2+c^2\right)\left[a(b+c)-a^2-bc\right]\ \iff\ \left[a(b+c)-\left(b^2+c^2\right)\right]^2=0\ \iff\ \boxed{\ a(b+c)=b^2+c^2\ }\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/d/e/3/de376a0677b2434b9f6b69a0587229b8795d44a5.png)
Observatie. Apropo de subiectul topicului "Puncte importante intr-un triunghi". Pentru cei care nu cunosc semnificatiile punctelor remarcabile mentionate in enuntul problemei propuse le recomand sa consulte Google unde, spre surprinderea lor, vor intalni cel putin 100 de asemenea puncte ceea ce inseamna ca triunghiul a fost si ramane o preocupare de secole a multor matematicieni, multi dintre ei cu rezultate remarcabile la nivel inalt. In demonstratie am folosit urmatoarele relatii metrice dintr-un triunghi care se pot dovedi fara dificultate


P2 (Cezar Lupu). Prove that



Proof.


Lemma.

Proof.





Particular case..









P3 (ONM Germany). Let






Proof.






In conclusion

P4 Daca paralelele duse prin punctele de contact ale cercului inscris cu laturile unui triunghi la medianele corespunzatoare ale acestuia sunt concurente, atunci triunghiul este isoscel.
Proof. In


![$[BC]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/a/1/ea1d44f3905940ec53e7eebd2aa5e491eb9e3732.png)


















Remark. Denote





Hence




==========================================================================================================================================














![$\frac {b(p-b)(2c-a)}{c\left[b(b-c)+a(p-a)\right]}\stackrel{(2)}{\ \ =\ \ }\frac {b(p-b)(2c-a)}{c(p-c)(2b-a)}\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/6/b/3/6b3c5318e6921e57c7970489014dc151479453c7.png)

P5. the points


Proof.


![$ [HG]$](http://latex.artofproblemsolving.com/2/a/f/2af63d22c7361cf3c43a7233524b82716db81956.png)

relation to cevian







Remark.

P6. Fie







Comentariu. Cand intalniti o problema, incercati sa o demonstrati folosind cu "zgarcenie" datele din ipoteza. In felul acesta s-ar putea sa nu va bizuiti in demonstratie pe anumite particularitati ale punctelor/liniilor din figura asociata. De fapt in cele din urma ati gasit si totodata ati demonstrat o extindere/generalizare a acesteia. Iata mai jos generalizarea problemei propuse in RMT.
Generalizare. Fie







P7. Sa se arate ca in



Demonstratie.



















P8. Fie


![$[GH]$](http://latex.artofproblemsolving.com/b/7/a/b7afb1107bb795100946f81eae2e796668096eac.png)

Demonstratie. Se poate folosi relatia lui Leibniz pentru orice punct









![$\sum MA^2=3\cdot \left[MG^2-p_w(G)\right]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/f/e/c/fec5c59139f619944ce7bce8af79ea356731ee51.png)

![$\sum FA^2=3\cdot \left[FG^2-p_w(G)\right]=$](http://latex.artofproblemsolving.com/b/a/8/ba8fc7a53e5f75ce3c726941cc983c252b922f7d.png)
![$3\cdot\left[GO^2-p_w(G)\right]$](http://latex.artofproblemsolving.com/f/6/3/f633cf6d1a1cb5ec4b23fdfe0435662fa5abc588.png)

P9. Fie








![$[EF]\ ,$](http://latex.artofproblemsolving.com/0/b/c/0bc54c04b2e9be880bb9e24cab1ca0a2858859d1.png)
![$[FD]\ ,$](http://latex.artofproblemsolving.com/7/b/c/7bce024cad5382ec04e8e20bae783e35e66a57e9.png)
![$[DE]$](http://latex.artofproblemsolving.com/4/f/5/4f55b2be1d3d9963afec61b4973bfecc6141b1ff.png)

Demonstratie. Notam mijloacele



![$[BC]\ ,$](http://latex.artofproblemsolving.com/6/5/6/6563ca77d31eb676ef646fa9c37ea181b812d864.png)
![$[CA]\ ,$](http://latex.artofproblemsolving.com/7/9/0/79053f4e90a202762296b3a7020733fab1b27fe1.png)
![$[AB]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/f/4/3/f43654eb147de5ab7da28700a60e256a697a2e10.png)



ca








Extindere. Fie










P10 (Relatia lui Stewart). Fie



Metoda 1. Notam








Metoda 2 (inedita !). Notam cercul circumscris




Se stie sau se arata usor ca



si folosim relatiile

Metoda 3 (inedita !). Vom folosi notatiile din metoda 2 la care adaugam



![$M\in [AV]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/d/8/f/d8f7203bb292d361702bf945bfc686f50d2b0785.png)


echivalenta cu





Comentariu. Ultimele doua metode sunt culese din lucrarile elevilor din clasa a IX - a pe care i-am avut de-a lungul timpului din care cele mai frumoase le-am pastrat. Obisnuiam sa le dau ca subiect o chestiune teoretica de rezolvat, cu intentia de a gasi si alta solutie decat cea din manual sau cea oferita de profesor. Astfel elevul realiza ca si problemele remarcabile au aparut tot ca niste probleme propuse, insa avand calitatea de a fi "scurtaturi" in rezolvarea unor probleme mult mai dificile. Voi reveni curand si cu metoda a patra care mie mi se pare cea mai ingenioasa la nivelul unui elev de clasa a IX - a (Mihai Esanu, de multa vreme la Paris !).
P11. Fie triunghiurile isoscele











Demonstratie. Notam



in









P12 (Manuela Prajea: clasa a VII - a lista scurta 2009). Fie








Bisectoarea unghiului






Demonstratie. Fie diametrul
![$[AK]$](http://latex.artofproblemsolving.com/3/2/a/32a180e681de5ca6aeffe6bfa17cf23f043b9361.png)












patrulater inscriptibil. Mai exact



![$[AI]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/d/7/4/d747147294ac06d8e324963991406fcdbd4b86da.png)

Observatie. Frumoasa problema, insa depaseste cu mult nivelul clasei a VII - a. Probabil acesta a fost motivul pentru care a ramas doar pe lista scurta. Ar fi mers foarte bine in finala la clasa
a IX - a, insa aici geometria se face vectorial in exclusivitate ceea ce inseamna ca avem si aici o "piedica". Imi permit sa adaug si o relatie metrica in plan secund:

Intr-adevar, aplicam teorema medianei



![$\left[\left(bc-\underline{4Rr}\right)+IK^2\right]-2\underline{\underline{R}}^2\iff$](http://latex.artofproblemsolving.com/a/1/4/a14d8c1687831511764c7ac369f1082d7c3f7ae1.png)

P13. Aratati ca in orice



Proof.


P14. Sa se arate ca

Proof.

















































P15. Consideram









si punctul





Cazuri particulare.



![$[BC]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/a/1/ea1d44f3905940ec53e7eebd2aa5e491eb9e3732.png)





Proof. Patrulaterul

![$[AP]\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/1/c/e1c6fc536868fc6780320f5ad055e2b894f6a1c9.png)



















![$[AP]$](http://latex.artofproblemsolving.com/f/6/2/f6235de9bde9e47652ee5f3cfbad1a2666873220.png)
![$[PM]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/8/3/e83377b926603aeb0a97093c89affe949af4af7a.png)







P16. Fie







![$[AD]\ ,\ [BE]\ ,\ [CF]$](http://latex.artofproblemsolving.com/5/2/2/5221873e5fcfce7f232685aa8188de4fec34962a.png)



Demonstratie 1 (sintetic). Notam


























Demonstratie 2. Fie














Observatie (retineti si dovediti !). Fie cercul inscris





![$\rho_a=[NM]$](http://latex.artofproblemsolving.com/2/8/e/28e06106cc5009d8dd61f7d2a826b67e3cd4fa57.png)
este tangent arcului de cerc circumscris care este subintins de





Remarca. Proprietatea "



Am notat



Demonstratie 3 (metric). Fie

![$[AD]$](http://latex.artofproblemsolving.com/0/f/3/0f3e4c424371b27673db323ced8ef0777940c0d4.png)



![$[AD]$](http://latex.artofproblemsolving.com/0/f/3/0f3e4c424371b27673db323ced8ef0777940c0d4.png)
























P17 (The Mathscope-Vietnam; Nr.5/2010). Let



intersections




Proof.





P18 (IRAN, 2011). In


















Proof. Suppose w.l.o.g.








![$[BLC]=[BIC]\iff$](http://latex.artofproblemsolving.com/b/2/2/b22d151327d1b64eb9b7341eea7db18c0a1bc421.png)



















P19. Let





Proof. Suppose w.l.o.g.


![$[BC]\ ,$](http://latex.artofproblemsolving.com/6/5/6/6563ca77d31eb676ef646fa9c37ea181b812d864.png)
















what is true, i.e.




P20. Given









Proof. Let








![$\frac{[BNC]}{a^2}=\frac{[CNA]}{b^2}=\frac{[ANB]}{c^2}=\frac S{a^2+b^2+c^2}=k\ .$](http://latex.artofproblemsolving.com/8/a/9/8a96842bb4ba4c8db88cde78f6284bde7a1104f2.png)
![$\left\{\begin{array}{ccccc}
\frac {b^2}{c^2}=\frac {[CNA]}{[BNA]}=\frac {\delta_{NA}(C)}{\delta_{NA}(B)}=\frac {XC}{XB} & \implies & \frac {XB}{XC}=\frac {c^2}{b^2} & \implies & \mathrm{AX\ is\ the\ A-symmedian}\\\\
\frac {c^2}{a^2}=\frac {[ANB]}{[BNC]}=\frac {\delta_{NB}(A)}{\delta_{NB}(C)}=\frac {YA}{YC} & \implies & \frac {YA}{YC}=\frac {c^2}{a^2} & \implies & \mathrm{BY\ is\ the\ B-symmedian}\end{array}\right\|\implies$](http://latex.artofproblemsolving.com/1/a/9/1a948ea272a4e3b73d0495f1d34a339e4f0fb87b.png)

Remark. The Lemoine's point




P21. Let




![$[BC]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/a/1/ea1d44f3905940ec53e7eebd2aa5e491eb9e3732.png)


Proof. Denote




the Cristea's relation

















P22 (Kadir Altintas - Turkey). Let



![$[BC]$](http://latex.artofproblemsolving.com/e/a/1/ea1d44f3905940ec53e7eebd2aa5e491eb9e3732.png)




Proof 1. Let orthic











i.e.









![$[UV]$](http://latex.artofproblemsolving.com/a/1/3/a136f90fcd9d8d96d81566cab1c035ac43940789.png)




Proof 2. I"ll use same notations from previous proof. Denote the projections














This post has been edited 321 times. Last edited by Virgil Nicula, Sep 9, 2016, 4:26 PM