Задание 18 - это планиметрическая задача повышенного уровня. Тема «Вписанные окружности и четырёхугольники» встречается на ЕГЭ редко (в 2-3% вариантов), но именно её редкость делает её опасной: без ключевого критерия задача кажется нерешаемой.
Суть темы сводится к ситуациям, когда окружность лежит внутри четырёхугольника и касается всех четырёх его сторон. В таком случае четырёхугольник называется описанным около окружности (а окружность - вписанной в четырёхугольник).
Основные формулы и свойства
Для решения задач этого типа нужно уверенно владеть свойствами касательных, углов и знать критерий существования вписанной окружности.
Алгоритм решения
Задачи на эту тему почти всегда сводятся либо к методу касательных, либо к работе с биссектрисами и прямоугольными треугольниками у центра.
Примеры решения
Разберём два примера. В первом - равнобокая описанная трапеция: применение теоремы Пито и базовой тригонометрии. Второй - на уровень реального ЕГЭ, с доказательством прямого угла и использованием соотношения в прямоугольном треугольнике.
Пример 1. Описанная равнобокая трапеция
Условие:
В равнобокую трапецию ABCD (с основаниями BC и AD) вписана окружность. Периметр трапеции равен 40, а косинус острого угла при основании AD равен 0,6.
а) Докажи, что высота трапеции равна её средней линии, умноженной на синус острого угла при основании.
б) Найди радиус вписанной окружности.
Пункт а: боковая сторона равна средней линии
По теореме Пито для описанного четырёхугольника сумма противоположных сторон равна: AB+CD=BC+AD.
Трапеция равнобокая, поэтому AB=CD. Обозначь AB=CD=c. Тогда:
2c=BC+AD⟹c=2BC+AD
Но 2BC+AD - это в точности средняя линия трапеции m. Значит, в равнобокой описанной трапеции боковая сторона равна средней линии: c=m.
Пункт а: выражаем высоту через синус
Опусти из вершины B перпендикуляр BH на основание AD. В прямоугольном треугольнике ABH гипотенуза AB=c, а катет BH=h - высота трапеции. Тогда:
h=c⋅sinα=m⋅sinα
Равенство h=m⋅sinα доказано.
Пункт б: находим среднюю линию и синус
Периметр равен сумме всех четырёх сторон: P=AB+BC+CD+AD=2c+(BC+AD)=2c+2c=4c.
4c=40⟹c=10
Значит, средняя линия m=10.
Найди синус острого угла:
sinα=1−cos2α=1−0,36=0,8
(Знак плюс, так как угол острый.)
Пункт б: вычисляем высоту и радиус
По доказанному в пункте «а»:
h=m⋅sinα=10⋅0,8=8
В любую описанную трапецию вписанная окружность касается обоих оснований, поэтому её диаметр совпадает с высотой трапеции:
2r=h⟹r=2h=4
Ответ: б) r=4.
Пример 2. Описанная трапеция и прямой угол у центра
Условие:
В четырёхугольник ABCD вписана окружность с центром O. Известно, что BC∥AD, а сторона AB касается окружности в точке M.
а) Докажи, что ∠AOB=90∘.
б) Найди периметр четырёхугольника ABCD, если AM=1, BM=9, и ABCD - равнобокая трапеция.
Пункт а: биссектрисы у центра
Центр вписанной окружности лежит на пересечении биссектрис углов четырёхугольника. Значит, луч AO - биссектриса угла DAB, а луч BO - биссектриса угла ABC:
∠OAB=2∠DAB,∠OBA=2∠ABC
В трапеции BC∥AD, а AB - секущая. Значит, ∠DAB и ∠ABC - внутренние односторонние, их сумма равна 180∘:
∠DAB+∠ABC=180∘
Пункт а: доказываем прямой угол
Сложи углы биссектрис в треугольнике AOB:
∠OAB+∠OBA=2∠DAB+∠ABC=2180∘=90∘
Сумма углов в треугольнике равна 180∘, поэтому:
∠AOB=180∘−(∠OAB+∠OBA)=180∘−90∘=90∘
Прямой угол у центра доказан.
Пункт б: высота из прямого угла и радиус
Радиус OM, проведённый в точку касания, перпендикулярен стороне AB: OM⊥AB. В прямоугольном треугольнике AOB (по доказанному в пункте «а» ∠AOB=90∘) отрезок OM - высота, опущенная из прямого угла на гипотенузу.
Для высоты прямоугольного треугольника из прямого угла справедливо соотношение «высота равна среднему геометрическому проекций катетов на гипотенузу»:
OM2=AM⋅BM=1⋅9=9⟹OM=3
Значит, радиус вписанной окружности r=3.
Пункт б: теорема Пито и периметр
Длина стороны AB равна сумме отрезков касательных из A и B:
AB=AM+BM=1+9=10
Трапеция равнобокая, поэтому CD=AB=10. По теореме Пито:
AD+BC=AB+CD=10+10=20
Периметр трапеции:
P=AB+BC+CD+AD=10+10+20=40
Ответ: б) P=40.
Частые ошибки
Что запомнить
Окружность вписана в четырёхугольник ⟺AB+CD=BC+AD (теорема Пито).
Центр вписанной окружности - точка пересечения биссектрис всех четырёх углов.
Радиус, проведённый в точку касания, перпендикулярен стороне. Площадь S=p⋅r.
Отрезки касательных из одной вершины равны. Параметризация x,y,z,w сводит задачу к системе уравнений.
Если в условии «BC∥AD» и вписана окружность - вспомни про ∠AOB=∠DOC=90∘ (биссектрисы односторонних углов).
В равнобокой описанной трапеции боковая сторона равна средней линии, а диаметр вписанной окружности равен высоте.
Стратегия на экзамене
За что дают баллы
В задании 18 можно заработать от 0 до 3 первичных баллов:
3 балла (максимум): Пункт «а» доказан со всеми обоснованиями, пункт «б» решён верно и с опорой на доказанное. Нет логических пробелов, ответ совпадает с эталоном.
2 балла: Пункт «а» доказан полностью, пункт «б» решён по верной логике, но в вычислениях допущена арифметическая ошибка (например, 2⋅3=5). ИЛИ пункт «б» решён безупречно и обоснованно, но пункт «а» не решён.
1 балл: Полностью и верно доказан только пункт «а». ИЛИ пункт «а» не тронут, но пункт «б» решён верно с явной ссылкой на недоказанное утверждение из пункта «а» (так делать можно и нужно, если застрял).
0 баллов: Решение не содержит верных математических продвижений. Голый ответ в пункте «б» без обоснований и вычислений тоже оценивается в 0 баллов - даже если ответ случайно совпал с правильным.
Проверь себя
В выпуклый четырёхугольник ABCD можно вписать окружность. Какое равенство обязательно выполняется?
Периметр описанного четырёхугольника равен 36, радиус вписанной окружности равен 4. Чему равна площадь четырёхугольника?
В равнобокую трапецию вписана окружность. Чему равна её боковая сторона?
В трапеции ABCD с основаниями BC и AD вписана окружность с центром O. Чему равен угол AOB?