2011 AMC 12A 第 25 题

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25.

三角形 ABCABC 满足 ∠BAC=60∘\angle BAC = 60^\circ,∠CBA≤90∘\angle CBA \le 90^\circ,BC=1BC = 1,且 AC≥ABAC \ge AB。设 HH,II,和 OO 分别为 △ABC\triangle ABC 的垂心、内心和外心。假设五边形 BCOIHBCOIH 的面积达到最大可能值。求 ∠CBA\angle CBA?
Triangle ABCABC has ∠BAC=60∘,\angle BAC = 60^\circ, ∠CBA≤90∘,\angle CBA \le 90^\circ, BC=1,BC = 1, and AC≥AB.AC \ge AB. Let H,H, I,I, and OO be the orthocenter, incenter, and circumcenter of △ABC,\triangle ABC, respectively. Assume that the area of the pentagon BCOIHBCOIH is the maximum possible. What is ∠CBA?\angle CBA?
60∘60^\circ
72∘72^\circ
75∘75^\circ
80∘80^\circ
90∘90^\circ
答案:D
知识点:外接圆、外心与外接圆半径最优化三角学
小提示:
因为 ∠BAC=60∘\angle BAC = 60^\circ,所以点 B,C,O,I,HB, C, O, I, H 都在同一个圆上
Because ∠BAC=60∘,\angle BAC = 60^\circ, the points B,C,O,I,HB, C, O, I, H all lie on one circle
大提示:
在这个圆上,要使四边形 BOIHBOIH 面积最大,应使从 OO 到 BB 的三段连续小弧相等
On that circle, maximize the quadrilateral BOIHBOIH by making the three consecutive subarcs from OO to BB equal
解答:
令 B=∠CBAB=\angle CBA,并令 C=∠BCA=120∘−BC=\angle BCA=120^\circ-B。因为 AC≥ABAC\ge AB,所以 B≥CB\ge C,从而 60∘≤B≤90∘60^\circ\le B\le90^\circ。标准角度公式给出 ∠BOC=2∠A=120∘,∠BHC=180∘−∠A=120∘,∠BIC=90∘+∠A2=120∘。 \begin{aligned} \angle BOC&=2\angle A=120^\circ, \\ \angle BHC&=180^\circ-\angle A=120^\circ, \\ \angle BIC&=90^\circ+\dfrac{\angle A}{2}=120^\circ \end{aligned}\text{。}因此 B,C,O,I,HB,C,O,I,H 位于同一个圆上。
此外,BC=1BC=1 且 A=60∘A=60^\circ 确定外接圆半径 OB=OC=13OB=OC=\frac{1}{\sqrt3},所以 △BCO\triangle BCO 以及经过 B,C,OB,C,O 的圆都是固定的。在 CC 处追角可得 ∠OCI=30∘−C2,∠ICH=30∘−C2。 \begin{aligned} \angle OCI&=30^\circ-\dfrac C2, \\ \angle ICH&=30^\circ-\dfrac C2 \end{aligned}\text{。}因此相应的弦满足 OI=IHOI=IH。
五边形面积等于固定面积 [BCO][BCO] 加上 [BOIH][BOIH]。当两个点分割固定弧 OBOB 时,圆内接四边形在三段连续小弧相等时面积最大(等价地,使它们的正弦和最大)。因此在最大值处有 OI=IH=HBOI=IH=HB。
在 △BOC\triangle BOC 中,∠OCB=30∘\angle OCB=30^\circ。等弦使 ∠OCI=∠ICH\angle OCI=\angle ICH,且 ∠ICH=∠HCB\angle ICH=\angle HCB,所以这些角都等于 10∘10^\circ。因此 30∘−C2=10∘30^\circ-\tfrac C2=10^\circ,得 C=40∘C=40^\circ 和 B=80∘B=80^\circ。
因此,正确答案是 D。
Write B=∠CBAB=\angle CBA and C=∠BCA=120∘−B.C=\angle BCA=120^\circ-B. Since AC≥AB,AC\ge AB, we have B≥C,B\ge C, so 60∘≤B≤90∘.60^\circ\le B\le90^\circ. The standard angle formulas give ∠BOC=2∠A=120∘,∠BHC=180∘−∠A=120∘,∠BIC=90∘+∠A2=120∘. \begin{aligned} \angle BOC&=2\angle A=120^\circ, \\ \angle BHC&=180^\circ-\angle A=120^\circ, \\ \angle BIC&=90^\circ+\dfrac{\angle A}{2}=120^\circ. \end{aligned} Hence B,C,O,I,HB,C,O,I,H lie on one circle.
Also BC=1BC=1 and A=60∘A=60^\circ fix the circumradius OB=OC=13,OB=OC=\frac{1}{\sqrt3}, so △BCO\triangle BCO and the circle through B,C,OB,C,O are fixed. Angle chasing at CC gives ∠OCI=30∘−C2,∠ICH=30∘−C2. \begin{aligned} \angle OCI&=30^\circ-\dfrac C2, \\ \angle ICH&=30^\circ-\dfrac C2. \end{aligned} Thus the corresponding chords satisfy OI=IH.OI=IH.
The pentagon’s area is the fixed area [BCO][BCO] plus [BOIH].[BOIH]. For two points dividing a fixed arc OB,OB, an inscribed quadrilateral has greatest area when its three consecutive subarcs are equal (equivalently, maximize the sum of their sines). Hence at the maximum OI=IH=HB.OI=IH=HB.
In △BOC,\triangle BOC, ∠OCB=30∘.\angle OCB=30^\circ. Equal chords make ∠OCI=∠ICH,\angle OCI=\angle ICH, ∠ICH=∠HCB,\angle ICH=\angle HCB, and each of these angles is 10∘.10^\circ. Therefore 30∘−C2=10∘,30^\circ-\tfrac C2=10^\circ, so C=40∘C=40^\circ and B=80∘.B=80^\circ.
Thus, the correct answer is D.
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