ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 17Описанные окружности и четырехугольники

Задание 17: описанные окружности и четырёхугольники

Задачи (20)

О чём эта подтема

Задание 17 (планиметрия) часто строится вокруг вписанных и описанных окружностей. Подтема «описанные окружности и четырёхугольники» — про то, когда вокруг четырёхугольника можно провести окружность (все его вершины лежат на одной окружности), и как использовать это свойство для вычисления сторон, диагоналей и углов. Обычно задача состоит из двух пунктов: (а) доказать, что такая окружность существует, то есть четырёхугольник вписанный; (б) что-то посчитать, опираясь на это.

Такие задачи проверяют одновременно владение признаком вписанного четырёхугольника, теоремой косинусов, теоремой о произведении отрезков хорд и секущих (степень точки) и теоремой Птолемея. Ключевая идея: вписанность даёт жёсткую связь между углами и отрезками, которой нет у произвольного четырёхугольника, и эту связь нужно уметь включать в вычисления, а не только доказывать формально ради баллов.

Что нужно знать

  • Признак вписанного четырёхугольника по углам: четырёхугольник ABCDABCD вписан в окружность тогда и только тогда, когда A+C=180\angle A + \angle C = 180^\circ (эквивалентно B+D=180\angle B+\angle D=180^\circ).
  • Признак через равные углы на отрезок: если точки CC и DD лежат по одну сторону от прямой ABAB и ACB=ADB\angle ACB=\angle ADB, то A,B,C,DA,B,C,D лежат на одной окружности.
  • Теорема о вписанном угле и теорема об угле между касательной и хордой: угол между касательной и хордой равен вписанному углу, опирающемуся на эту хорду с другой стороны.
  • Степень точки: если из точки PP проведены две секущие, пересекающие окружность в парах точек (A,B)(A,B) и (C,D)(C,D), то PAPB=PCPDPA\cdot PB = PC\cdot PD; для касательной длиной tt из той же точки и секущей через (A,B)(A,B): t2=PAPBt^2 = PA\cdot PB.
  • Теорема Птолемея: для вписанного четырёхугольника ABCDABCD ACBD=ABCD+BCAD.AC\cdot BD = AB\cdot CD + BC\cdot AD.
  • Свойство вписанной трапеции: если трапеция вписана в окружность, она обязательно равнобокая — у неё равны диагонали и равны боковые стороны.
  • Теорема косинусов c2=a2+b22abcosγc^2=a^2+b^2-2ab\cos\gamma — основной инструмент доказательства признака вписанности по углам через сравнение косинусов.

Этого набора достаточно почти для всех задач №17 этого типа: признак вписанности плюс Птолемей или степень точки для вычислений.

Как решать: метод и алгоритм

  1. Сделать аккуратный чертёж, отметить все данные отрезки, углы, точки касания и пересечения.
  2. Для пункта «докажите, что можно описать окружность» выбрать один из путей:
  • если известны стороны и диагональ (или их можно вычислить) — найти косинусы двух противоположных углов через теорему косинусов в двух треугольниках, на которые диагональ делит четырёхугольник, и показать, что cos(1)=cos(2)\cos(\angle 1)=-\cos(\angle 2);
  • если в условии есть окружность, касательные, секущие — искать равные углы через вписанный угол, угол между касательной и хордой, свойства параллельности сторон.
  1. Как только вписанность доказана, использовать её как источник новых соотношений:
  • теорема Птолемея, если известны все стороны и одна диагональ — вторая находится напрямую;
  • степень точки, если есть пересечения секущих или касательная;
  • при параллельности сторон проверить, не образуется ли внутри окружности равнобокая трапеция — тогда сразу равны диагонали или боковые стороны, что резко сокращает вычисления.
  1. Довести решение до числового или буквенного ответа и проверить его правдоподобие (сравнить с известными длинами, знаками, диапазоном углов).

Разбор примера

Пример 1

Параллелограмм ABCDABCD и окружность расположены так, что сторона ABAB касается окружности, CDCD — хорда окружности, а стороны DADA и BCBC пересекают окружность в точках PP и QQ соответственно. Известно, что AP=aAP=a, BC=bBC=b, BQ=cBQ=c. Требуется: а) доказать, что около четырёхугольника ABQPABQP можно описать окружность; б) найти DQDQ.

Понимание конструкции. Так как CDCD — хорда, точки CC и DD лежат на окружности ω\omega. Прямая DADA проходит через точку DD (она уже на окружности) и пересекает ω\omega ещё раз в точке PP — значит DD и PP это две точки пересечения прямой ADAD с ω\omega. Аналогично прямая BCBC пересекает ω\omega в точках CC и QQ. Пусть KK — точка касания окружности с прямой ABAB.

Поскольку ABCDABCD — параллелограмм, AD=BC=bAD=BC=b и ADBCAD\parallel BC, ABCDAB\parallel CD.

Шаг 1. Степень точек AA и BB. Из точки AA проведена касательная AKAK и секущая AAPPDD, поэтому AK2=APAD=ab.AK^2 = AP\cdot AD = a\cdot b. Из точки BB проведена касательная BKBK и секущая BBQQCC, поэтому BK2=BQBC=cb.BK^2 = BQ\cdot BC = c\cdot b. Отсюда AK=abAK=\sqrt{ab}, BK=bcBK=\sqrt{bc}, а значит AB=AK+BK=ab+bc=b(a+c).AB = AK+BK=\sqrt{ab}+\sqrt{bc}=\sqrt b(\sqrt a+\sqrt c). Так как CD=ABCD=AB (параллелограмм), то CD=b(a+c)CD=\sqrt b(\sqrt a+\sqrt c).

Шаг 2. Трапеция DPQCDPQC — равнобокая. Хорда DPDP лежит на прямой ADAD, хорда QCQC — на прямой BCBC. Так как ADBCAD\parallel BC, то DPQCDP\parallel QC, значит DPQCDPQC — трапеция, вписанная в ω\omega. Любая вписанная трапеция равнобокая, поэтому равны её боковые стороны и равны диагонали: PQ=DC,DQ=PC,PQ = DC, \qquad DQ = PC, а также равны углы у одного основания: PDC=DPQ\angle PDC=\angle DPQ и QCD=CQP\angle QCD=\angle CQP.

Шаг 3. Доказательство пункта а). Так как PP лежит на отрезке DADA, луч DPDP совпадает с лучом DADA, поэтому PDC=ADC\angle PDC=\angle ADC. Так как QQ лежит на отрезке BCBC, луч CQCQ совпадает с лучом CBCB, поэтому QCD=BCD\angle QCD=\angle BCD. В параллелограмме противоположные углы равны: ADC=ABC\angle ADC=\angle ABC. Луч BQBQ совпадает с лучом BCBC, значит ABC=ABQ\angle ABC=\angle ABQ. Собирая цепочку: DPQ=PDC=ADC=ABC=ABQ.\angle DPQ=\angle PDC=\angle ADC=\angle ABC=\angle ABQ. Точки D,P,AD,P,A лежат на одной прямой, причём PP между DD и AA, поэтому углы DPQ\angle DPQ и APQ\angle APQ смежные: APQ=180DPQ=180ABQ.\angle APQ = 180^\circ-\angle DPQ = 180^\circ-\angle ABQ. Отсюда ABQ+APQ=180\angle ABQ+\angle APQ=180^\circ. В четырёхугольнике ABQPABQP углы при вершинах BB и PP — противоположные, а их сумма равна 180180^\circ, значит вокруг ABQPABQP можно описать окружность. Пункт а) доказан.

Шаг 4. Вычисление DQDQ (пункт б). Используем теорему Птолемея для вписанной трапеции DPQCDPQC (порядок вершин на окружности D,P,Q,CD,P,Q,C): DPQC+PQDC=DQPC.DP\cdot QC + PQ\cdot DC = DQ\cdot PC. Так как DQ=PCDQ=PC (диагонали равнобокой трапеции равны), правая часть равна DQ2DQ^2. Подставим известные длины: DP=ADAP=ba,QC=BCBQ=bc,PQ=DC=b(a+c).DP=AD-AP=b-a,\qquad QC=BC-BQ=b-c,\qquad PQ=DC=\sqrt b(\sqrt a+\sqrt c). Тогда DQ2=(ba)(bc)+b(a+c)2=(ba)(bc)+b(a+2ac+c).DQ^2=(b-a)(b-c) + b(\sqrt a+\sqrt c)^2 = (b-a)(b-c)+b(a+2\sqrt{ac}+c). Раскроем скобки: (ba)(bc)=b2bcab+ac,(b-a)(b-c)=b^2-bc-ab+ac, b(a+2ac+c)=ab+bc+2bac.b(a+2\sqrt{ac}+c)=ab+bc+2b\sqrt{ac}. Сложим: DQ2=b2bcab+ac+ab+bc+2bac=b2+ac+2bac=(b+ac)2.DQ^2=b^2-bc-ab+ac+ab+bc+2b\sqrt{ac}=b^2+ac+2b\sqrt{ac}=(b+\sqrt{ac})^2. Так как длина неотрицательна, DQ=b+ac.DQ = b+\sqrt{ac}.

Это и есть искомый ответ. Задача демонстрирует связку «степень точки → свойство вписанной трапеции → теорема Птолемея» — типичный набор инструментов для сложных задач этой подтемы.

Пример 2

В выпуклом четырёхугольнике ABCDABCD известны AB=3AB=3, BC=CD=5BC=CD=5, AD=8AD=8, диагональ AC=7AC=7. а) Докажите, что вокруг четырёхугольника можно описать окружность. б) Найдите BDBD.

Шаг 1. Углы через диагональ. Диагональ ACAC делит четырёхугольник на треугольники ABCABC и ACDACD. Найдём косинусы углов B=ABCB=\angle ABC и D=ADCD=\angle ADC по теореме косинусов.

В треугольнике ABCABC (AB=3AB=3, BC=5BC=5, AC=7AC=7): AC2=AB2+BC22ABBCcosB,AC^2=AB^2+BC^2-2\cdot AB\cdot BC\cos B, 49=9+2530cosB=3430cosB,49 = 9+25-30\cos B = 34-30\cos B, cosB=344930=12.\cos B = \frac{34-49}{30} = -\frac{1}{2}.

В треугольнике ACDACD (AD=8AD=8, CD=5CD=5, AC=7AC=7): AC2=AD2+CD22ADCDcosD,AC^2=AD^2+CD^2-2\cdot AD\cdot CD\cos D, 49=64+2580cosD=8980cosD,49=64+25-80\cos D=89-80\cos D, cosD=894980=4080=12.\cos D=\frac{89-49}{80}=\frac{40}{80}=\frac12.

Шаг 2. Доказательство пункта а). Получили cosB=12\cos B=-\dfrac12 и cosD=12\cos D=\dfrac12, то есть cosB=cosD\cos B=-\cos D. Так как углы четырёхугольника лежат в промежутке (0;180)(0^\circ;180^\circ), равенство cosB=cosD\cos B=-\cos D равносильно B+D=180B+D=180^\circ (а именно B=120B=120^\circ, D=60D=60^\circ). Сумма противоположных углов равна 180180^\circ — по признаку вокруг ABCDABCD можно описать окружность. Пункт а) доказан.

Шаг 3. Вычисление BDBD (пункт б). Раз ABCDABCD вписан, применяем теорему Птолемея: ACBD=ABCD+BCAD.AC\cdot BD = AB\cdot CD + BC\cdot AD. Подставляем данные: 7BD=35+58=15+40=55,7\cdot BD = 3\cdot5+5\cdot8=15+40=55, BD=557.BD=\frac{55}{7}.

Этот пример показывает более короткий, «формульный» путь: доказательство через сравнение косинусов противоположных углов и мгновенное вычисление диагонали по Птолемею — без построения вспомогательных точек.

Типичные ошибки

  • Путают признак «сумма противоположных углов равна 180180^\circ» с суммой соседних углов — у произвольного четырёхугольника соседние углы ничего не обязаны давать в сумме, а вот у параллелограмма сумма соседних углов и так 180180^\circ, что не имеет отношения к вписанности.
  • Применяют теорему Птолемея к четырёхугольнику, вписанность которого не доказана — это грубая логическая ошибка, за неё снимают баллы даже при верном числовом ответе.
  • Путают порядок сторон в формуле Птолемея: произведение диагоналей должно равняться сумме произведений именно противоположных сторон, а не соседних.
  • При использовании степени точки путают, какая величина возводится в квадрат (касательная), а какая раскладывается в произведение (секущая), и забывают проверить, что точка действительно вне окружности.
  • Не проверяют знак косинуса при доказательстве через углы — теряется информация о том, тупой угол или острый, из-за чего доказательство «зависает» без вывода про сумму 180180^\circ.
  • Неправильно определяют основания трапеции, вписанной в окружность, и путают, какие стороны должны быть равны (боковые стороны или диагонали).

На что обратить внимание на экзамене

  • Пункт а) (доказательство) оценивается отдельно: без корректно записанной логической цепочки не засчитают и верный численный ответ пункта б). Прописывайте признак вписанности явно, ссылаясь на конкретную теорему.
  • Если в условии встречаются параллельные стороны и окружность, сразу проверяйте, не образуется ли вписанная равнобокая трапеция — это часто кратчайший путь к ответу.
  • Держите в голове теорему Птолемея как быструю связку между диагональю и сторонами вписанного четырёхугольника — она экономит время по сравнению с двойным применением теоремы косинусов для поиска второй диагонали напрямую.
  • Не забывайте про степень точки, когда в условии явно фигурируют касательные и секущие к окружности — это почти всегда сигнал использовать именно это соотношение.
  • Проверяйте правдоподобие ответа на чертеже: диагональ или отрезок должны сочетаться по величине с уже известными сторонами (например, быть не длиннее суммы других сторон).

Частые вопросы

Как быстро понять, какой признак вписанности использовать в конкретной задаче?

Если известны все стороны и диагональ — считайте косинусы двух противоположных углов через теорему косинусов и сравнивайте их с противоположным знаком. Если в условии фигурируют окружность, касательные и секущие — ищите равные вписанные углы или угол между касательной и хордой.

Всегда ли можно применять теорему Птолемея?

Нет, только после того как доказано, что четырёхугольник вписанный. Для произвольного четырёхугольника формула Птолемея превращается в неравенство, а не в равенство.

Что делать, если в задаче парал­лельные стороны и окружность?

Проверьте, не образуют ли точки пересечения окружности с этими сторонами вписанную трапецию — она обязательно равнобокая, что сразу даёт равенство диагоналей или боковых сторон и упрощает вычисления.

Как использовать степень точки в задачах с касательной и секущей?

Если из внешней точки проведены касательная длиной tt и секущая, пересекающая окружность в точках AA и BB, то t2=PAPBt^2=PA\cdot PB. Это соотношение обычно и даёт нужное уравнение для нахождения неизвестного отрезка.

Почему в примере с параллелограммом ответ получился в виде b + корень из ac?

Потому что при применении теоремы Птолемея к вписанной трапеции квадрат искомой диагонали разложился в полный квадрат суммы: DQ2=(b+ac)2DQ^2=(b+\sqrt{ac})^2, и извлечение корня сразу дало компактную формулу.

Обязательно ли доказывать вписанность через углы, а не через равенство отрезков?

Нет, способов доказательства несколько: через сумму противоположных углов, через равенство углов, опирающихся на общий отрезок, или через свойства конкретной конфигурации (например, вписанной трапеции). Выбирайте тот, для которого в условии больше готовых данных.