Окружность

Содержание

Суть темы

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⁡2R\sin). 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:

  1. Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу (или на равные дуги), равны.
  2. Вписанный угол равен 90∘90^\circ тогда и только тогда, когда он опирается на диаметр.
  3. 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).
Вписанный угол и касательная
Угол между секущими: внутренняя и внешняя точка

Для вычисления площадей частей круга необходимо строго следить за тем, в каких единицах задан угол.

Сектор и сегмент круга

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»).

Вписанный четырёхугольник и теорема Птолемея
Пример 4. Вписанный четырёхугольник + теорема Птолемея

Равносторонний треугольник ABCABC вписан в окружность. На дуге BCBC, не содержащей вершину AA, взята точка PP. Известно, что BP=3BP = 3, CP=5CP = 5. Найдите сторону треугольника ABCABC и длину отрезка APAP.

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+rR + r.
  • При внутреннем касании расстояние между центрами равно ∣R−r∣|R - r|.
Внешнее и внутреннее касание

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=25x^2 + y^2 = 25 и (x−6)2+y2=25(x - 6)^2 + y^2 = 25. Найдите длину их общей хорды.

Примеры задач

Примеры ниже демонстрируют, как комбинировать базовые факты для решения многошаговых задач уровня ДВИ.

Пример 1. Секущая и прямоугольный треугольник

Из внешней точки PP к окружности радиуса R=2R = 2 проведена касательная PAPA (AA — точка касания) и секущая, проходящая через центр окружности OO и пересекающая её в точках BB и CC (точка BB лежит между PP и OO). Известно, что ∠APC=30∘\angle APC = 30^\circ. Найдите площадь треугольника PABPAB.

Пример 2. Перпендикулярные хорды и радиус

Хорды ABAB и CDCD некоторой окружности пересекаются в точке MM. Известно, что AM=3AM = 3, MB=4MB = 4, CM=2CM = 2, а длина отрезка ACAC равна 13\sqrt{13}. Найдите радиус данной окружности.

Три касающиеся окружности
Пример 3. Три касающиеся окружности

Две окружности радиусов RR и rr 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.

Пример 6. Задача на доказательство: точки лежат на одной окружности

В остроугольном треугольнике ABCABC проведены высоты BB1BB_1 и CC1CC_1 (где B1B_1 на ACAC, C1C_1 на ABAB). Докажите, что четыре точки BB, CC, B1B_1, C1C_1 лежат на одной окружности, и укажите её центр.

Высокий уровень: окружность как геометрическое место точек

Окружность Аполлония: ГМТ точек с постоянным отношением MA/MB=k

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 =2Rsin⁡φ= 2R\sin\varphi, где φ\varphi — 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.
  • Четырёхугольник вписанный   ⟺  ∠A+∠C=180∘\iff \angle A + \angle C = 180^\circ; описанный   ⟺  AB+CD=BC+AD\iff AB + CD = BC + AD; для вписанного — теорема Птолемея AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅ADAC\cdot BD = AB\cdot CD + BC\cdot AD.
  • Теоремы о секущих и хордах (AM⋅MB=CM⋅MDAM \cdot MB = CM \cdot MD) работают всегда, независимо от расположения центра; степень точки d2−R2d^2-R^2 — со знаком.
  • Для касающихся окружностей расстояние между центрами — это сумма (R+rR+r) или разность (∣R−r∣|R-r|) радиусов; если тип не задан — разбери оба.
  • Координатный метод: (x−a)2+(y−b)2=R2(x-a)^2+(y-b)^2=R^2; общую хорду двух окружностей даёт вычитание их уравнений (радикальная ось).

Стратегия на ДВИ

Проверь себя
  1. Вписанный угол опирается на диаметр окружности. Чему он равен?
  2. Хорда окружности радиуса RR видна с окружности под вписанным углом φ\varphi. Чему равна длина хорды?
  3. Вершина угла лежит ВНЕ окружности (две секущие). Чему равен угол?
  4. Окружности радиусов RR и rr касаются внутренним образом. Чему равно расстояние между их центрами?