Задачи на окружности в чистом виде (без привязки к треугольникам или многоугольникам) на ДВИ встречаются редко. Чаще всего окружность выступает как инструмент: она задаёт равные вписанные углы, генерирует подобные треугольники через пересекающиеся хорды или позволяет использовать метрические соотношения для касательных. Именно поэтому самые ценные на ДВИ связки — это окружность + четырёхугольник (критерии вписанности/описанности, Птолемей) и окружность + тригонометрия (мост «угол ↔ длина» через 2Rsin). Им ниже уделено отдельное место.
Главный принцип решения планиметрии на мехмате и ВМК — сведение сложной конструкции к базовым фигурам. Окружность идеально для этого подходит, так как её свойства связывают длины отрезков и величины углов через подобие. Альтернативный надёжный путь для сильной аудитории (ВМК, эконом) — метод координат: уравнение окружности превращает геометрию в алгебру.
Основные формулы и теоремы
Лист с формулами на экзамене не выдают, поэтому все базовые метрические соотношения нужно знать наизусть. Опорные формулы по теме собраны в справочнике (раздел «Окружность» и «Четырёхугольники») — ниже мы их не только выписываем, но и показываем идею вывода, потому что проверяющий ценит обоснование, а не только готовую формулу.
Следствия из этого факта:
Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу (или на равные дуги), равны.
Вписанный угол равен 90∘ тогда и только тогда, когда он опирается на диаметр.
Угол между касательной и хордой, проведённой из точки касания, равен половине угловой величины дуги, стягиваемой этой хордой (и равен вписанному углу, опирающемуся на эту дугу).
Для вычисления площадей частей круга необходимо строго следить за тем, в каких единицах задан угол.
Вписанные и описанные четырёхугольники
Это ядро планиметрии ДВИ: «чистая» окружность редка, а вот окружность в связке с четырёхугольником встречается постоянно. Два критерия и теорема Птолемея — обязательный минимум (см. справочник, раздел «Четырёхугольники»).
Пример 4. Вписанный четырёхугольник + теорема Птолемея
Равносторонний треугольник ABC вписан в окружность. На дуге BC, не содержащей вершину A, взята точка P. Известно, что BP=3, CP=5. Найдите сторону треугольника ABC и длину отрезка AP.
Замечаем вписанный четырёхугольник
Обозначим сторону треугольника a=AB=BC=CA. Точка P лежит на окружности, поэтому ABPC — вписанный четырёхугольник (вершины в порядке обхода A,B,P,C).
Сначала найдём a из треугольника BPC. Четырёхугольник ABPC вписанный, поэтому его противоположные углы ∠A и ∠BPC в сумме дают 180∘. Так как ∠A=60∘ (треугольник равносторонний), то ∠BPC=180∘−60∘=120∘.
Находим сторону по теореме косинусов
По теореме косинусов в треугольнике BPC (сторона BC=a напротив угла ∠BPC=120∘, cos120∘=−21):
Теперь применим теорему Птолемея к вписанному четырёхугольнику ABPC. Его диагонали — это AP и BC, а пары противоположных сторон — (AB,PC) и (BP,AC):
AP⋅BC=AB⋅PC+BP⋅AC.
Подставим AB=BC=AC=7, BP=3, CP=5:
AP⋅7=7⋅5+3⋅7=35+21=56⟹AP=8.
(Заодно мы получили классический факт: для точки на дуге BC равностороннего треугольника AP=BP+CP; здесь 8=3+5.)
Касающиеся окружности
На ДВИ часто дают задачи с двумя или несколькими окружностями. Главное правило: окружности касаются внешним (или внутренним) образом тогда и только тогда, когда их центры и точка касания лежат на одной прямой.
При внешнем касании расстояние между центрами равно R+r.
При внутреннем касании расстояние между центрами равно ∣R−r∣.
Метод координат для окружности
Для сильной аудитории (ВМК, эконом) координаты — надёжный «лобовой» способ: геометрия сводится к алгебре, и не нужно угадывать дополнительные построения. Опорные формулы — в справочнике (раздел «Координаты на плоскости»).
Пример 5. Общая хорда двух окружностей (метод координат)
Две окружности заданы уравнениями x2+y2=25 и (x−6)2+y2=25. Найдите длину их общей хорды.
Проверяем, что хорда существует
Обе окружности имеют радиус R=5; центры O1(0;0) и O2(6;0), расстояние между центрами O1O2=6<R+R=10, поэтому окружности пересекаются в двух точках — общая хорда существует.
Находим радикальную ось вычитанием уравнений
Найдём прямую общей хорды (радикальную ось). Вычтем второе уравнение из первого. Раскроем второе: (x−6)2+y2=x2−12x+36+y2=25. Вычитаем из первого:
(x2+y2)−(x2−12x+36+y2)=25−25⟹12x−36=0⟹x=3.
Общая хорда лежит на вертикальной прямой x=3 (она перпендикулярна линии центров O1O2, лежащей на оси Ox, — как и должно быть).
Находим концы хорды
Подставим x=3 в первое уравнение, чтобы найти концы хорды:
9+y2=25⟹y2=16⟹y=±4.
Точки пересечения: (3;4) и (3;−4).
Вычисляем длину хорды
Длина общей хорды — это расстояние между ними:
(3−3)2+(4−(−4))2=0+64=8.
Примеры задач
Примеры ниже демонстрируют, как комбинировать базовые факты для решения многошаговых задач уровня ДВИ.
Пример 1. Секущая и прямоугольный треугольник
Из внешней точки P к окружности радиуса R=2 проведена касательная PA (A — точка касания) и секущая, проходящая через центр окружности O и пересекающая её в точках B и C (точка B лежит между P и O). Известно, что ∠APC=30∘. Найдите площадь треугольника PAB.
Выделяем прямоугольный треугольник
Так как PA — касательная, радиус OA перпендикулярен PA. В прямоугольном треугольнике △PAO катет OA=R=2, а угол ∠APO=30∘.
Находим стороны из треугольника PAO
Найдём длину отрезка PA:
PA=OA⋅ctg30∘=23.
Найдём гипотенузу PO:
PO=sin30∘OA=1/22=4.
Находим отрезок PB и проверяем себя
Секущая PBC проходит через центр, значит, PB=PO−OB=4−2=2. Точка C нам не понадобится, но для проверки можно убедиться, что PC=4+2=6, и теорема о касательной и секущей выполняется: PA2=(23)2=12 и PB⋅PC=2⋅6=12.
Считаем площадь
Площадь треугольника PAB можно найти по формуле через две стороны и угол между ними (важно: ∠APB — это угол именно между сторонами PA и PB, выходящими из общей вершины P):
Хорды AB и CD некоторой окружности пересекаются в точке M. Известно, что AM=3, MB=4, CM=2, а длина отрезка AC равна 13. Найдите радиус данной окружности.
Находим отрезок MD по теореме о хордах
По теореме о пересекающихся хордах AM⋅MB=CM⋅MD. Подставим известные значения:
3⋅4=2⋅MD⟹12=2⋅MD⟹MD=6.
Доказываем перпендикулярность хорд
Найдём угол между хордами. Рассмотрим треугольник △MAC: в нём известны три стороны AM=3, CM=2, AC=13. Применим теорему косинусов для угла ∠AMC:
AC2=AM2+CM2−2⋅AM⋅CM⋅cos∠AMC
13=9+4−12cos∠AMC⟹13=13−12cos∠AMC⟹cos∠AMC=0.
Следовательно, ∠AMC=90∘. Хорды AB и CD перпендикулярны.
Замечание о подобии (как обосновать без теоремы косинусов). Если бы нужно было сравнить треугольники △MAC и △MDB, делать это надо строго, с сопоставлением вершин: △MAC∼△MDB, где соответствие M↔M, A↔D, C↔B. Углы: ∠AMC=∠DMB (вертикальные), ∠MCA=∠MBD (вписанные, опираются на дугу AD). Тогда коэффициент подобия k=MDMA=MBMC=DBAC=63=21. В этой задаче подобие не требуется — угол находим прямо теоремой косинусов, — но запись подобия должна выглядеть именно так.
Опускаем перпендикуляры из центра
Длины хорд: AB=AM+MB=3+4=7, CD=CM+MD=2+6=8. Пусть O — центр окружности. Опустим перпендикуляры OH1 на AB и OH2 на CD.
Перпендикуляр из центра делит хорду пополам. Значит, AH1=2AB=27. Так как хорды перпендикулярны, четырёхугольник OH1MH2 — прямоугольник, поэтому расстояние от центра до хорды CD равно MH1:
OH2=MH1=AH1−AM=27−3=21.
Находим радиус по теореме Пифагора
Из прямоугольного треугольника △OH2D по теореме Пифагора найдём радиус R=OD (катет H2D=2CD=4):
R2=OH22+H2D2=(21)2+42=41+16=465.
R=265.
Пример 3. Три касающиеся окружности
Две окружности радиусов R и r касаются друг друга внешним образом. К ним проведена общая внешняя касательная. Третья окружность касается обеих данных окружностей внешним образом, а также касается их общей внешней касательной. Найдите радиус третьей окружности.
Строим прямоугольную трапецию и находим AB
Пусть A и B — точки касания двух исходных окружностей с общей касательной. Опустим перпендикуляры из центров O1 и O2 на касательную. Получим прямоугольную трапецию O1ABO2.
Линия центров O1O2=R+r. Разность высот трапеции (катет прямоугольного треугольника, отсечённого высотой) равна R−r. По теореме Пифагора найдём отрезок касательной AB:
AB2=(R+r)2−(R−r)2=R2+2Rr+r2−(R2−2Rr+r2)=4Rr.
AB=2Rr.
Применяем ту же формулу к третьей окружности
Пусть x — радиус искомой третьей окружности, а C — точка её касания с прямой AB. Точка C лежит между A и B. Тогда отрезок AB разбивается на два отрезка: AC и CB.
Применяя ту же формулу к парам касающихся окружностей (первая и третья, вторая и третья), получаем:
AC=2Rx,CB=2rx.
Составляем и решаем уравнение
Так как AB=AC+CB, запишем уравнение:
2Rr=2Rx+2rx.
Разделим на 2 и выразим x:
x(R+r)=Rr⟹x=R+rRr.
Возводим в квадрат:
x=(R+r)2Rr.
Пример 6. Задача на доказательство: точки лежат на одной окружности
В остроугольном треугольнике ABC проведены высоты BB1 и CC1 (где B1 на AC, C1 на AB). Докажите, что четыре точки B, C, B1, C1 лежат на одной окружности, и укажите её центр.
Ключевая идея
ДВИ-планиметрия часто требует именно доказать факт, а не вычислить число. Ключевая идея: четыре точки лежат на одной окружности ⟺ отрезок виден из двух из них под равными или прямыми углами.
Показываем, что BC виден под прямым углом
Рассмотрим отрезок BC. Высота BB1 перпендикулярна AC, поэтому в точке B1 угол ∠BB1C=90∘ (треугольник BB1C прямоугольный с прямым углом при B1).
Аналогично, высота CC1 перпендикулярна AB, поэтому ∠BC1C=90∘.
Итак, отрезок BC виден из точек B1 и C1 под прямым углом:
∠BB1C=∠BC1C=90∘.
Применяем ГМТ прямого угла
Геометрическое место точек, из которых данный отрезок виден под прямым углом, — это окружность с диаметром, равным этому отрезку (следствие: вписанный угол, опирающийся на диаметр, прямой). Значит, и B1, и C1 лежат на окружности с диаметром BC. Точки B и C — концы этого диаметра, очевидно, тоже на ней.
Указываем центр
Центр этой окружности — середина диаметра BC, а её радиус равен 2BC.
Что и требовалось доказать. Точки B, C, B1, C1 лежат на одной окружности с центром в середине стороны BC и радиусом 2BC.
Высокий уровень: окружность как геометрическое место точек
Частые ошибки
Оформление под рубрику ДВИ
ДВИ оценивают по outcomes-рубрике «±»: важен не только верный ответ, но и полнота, обоснованность и разбор всех конфигураций. В планиметрии баллы теряют не на арифметике, а на недоказанных переходах и пропущенных случаях.
Что запомнить
Все вписанные углы, смотрящие на одну дугу, равны. Это самый мощный инструмент для поиска подобных треугольников.
Хорда =2Rsinφ, где φ — опирающийся на неё вписанный угол. Главный мост «угол ↔ длина».
Угол между хордой и касательной равен половине дуги, стягиваемой хордой (и равен вписанному углу на эту дугу).
Угол между секущими: вершина внутри — полусумма дуг, вершина вне — полуразность.