如图在 $\triangle ABC$ 中,$AB>AC$,内切圆 $I$ 与 $BC$ 边切于点 $D$,$AD$ 交内切圆 $I$ 于另一点 $E$,圆 $I$ 的切线 $EP$ 交 $BC$ 的延长线于点 $P$,$CF$ 平行 $PE$ 交 $AD$ 于点 $F$,直线 $BF$ 交圆 $I$ 于点 $M,N$,点 $M$ 在线段 $BF$ 上,线段 $PM$ 与圆 $I$ 交于另一点 $Q$.证明:$\angle ENP=\angle ENQ$.
【难度】
【出处】
2013中国东南数学奥林匹克试题
【标注】
  • 知识点
    >
    二试几何部分
【答案】
【解析】
证法一
设圆 $I$ 与 $AC,AB$ 分别切于点 $S,T$,连结 $ST, AI, IT$,设 $ST$ 与 $AI$ 交于点 $G$,则 $IT\perp AT, TG\perp AI$,从而有 $AG\cdot AI=AT^2 =AD\cdot AE$,所以 $I,G,E,D$ 四点共圆.又 $IE\perp PE,ID\perp PD$,所以 $I,E,P,D$ 四点共圆,从而 $I,G,E,P,D$ 五点共圆.所以 $\angle IGP=\angle IEP=90^{\circ}$,即 $IG\perp PG$,
从而 $P,S,T$ 三点共线.
直线 $PST$ 截 $\triangle ABC$,由梅涅劳斯定理知,
$
\dfrac{A S}{S C} \cdot \dfrac{C P}{P B} \cdot \dfrac{B T}{T A}=1
$
又 $AS=AT,CS=CD,BT=BD$,所以有
$\dfrac{P C}{P B} \cdot \dfrac{B D}{C D}=1
$ ①
设 $BN$ 的延长线交 $PE$ 于点 $H$,直线 $BFH$ 截 $\triangle PDE$,由梅涅劳斯定理知,
$
\dfrac{P H}{H E} \cdot \dfrac{E F}{F D} \cdot \dfrac{D B}{B P}=1
$
因为 $CF$ 平行于 $BE$,所以 $\dfrac{EF}{FD}=\dfrac{PC}{CD}$,从而有
$\dfrac{P H}{H E} \cdot \dfrac{P C}{C D} \cdot \dfrac{D B}{B P}=1$ ②
由 ①,② 知,$PH=HE$,故 $PH^2 =HE^2 =HM\cdot HN$,所以 $\frac{PH}{HM}=\frac{HN}{PH}$,$\triangle PHN\sim\triangle MHP$,$\angle HPN=\angle HMP=\angle NEQ$,又 $\angle PEN=\angle EQN$,
所以 $\angle ENP=\angle ENQ$.
证法二
设圆 $I$ 与 $AC,AB$ 分别切于点 $S,T$,则由 $PI\perp AD$ 知
$
P A^{2}-P D^{2}=I A^{2}-I D^{2}=I A^{2}-I T^{2}=A T^{2}
$
所以 $PA^2 - AT^2 = PD^2 = IP^2 - ID^2 = IP^2 - IT^2$,从而 $AI\perp PT$.又 $AI\perp ST$,所以 $P,S,T$ 三点共线.
以下同证法一.
答案 解析 备注
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