每日一题[2295]退化图形

四边形 $ABCD$ 内接于 $\odot O$,对边 $AB,DC$ 延长交于 $P$,$AD,BC$ 延长交于 $Q$,过点 $Q$ 作 $\odot O$ 的两条切线,切点分别为 $E,F$.求证:$P,E,F$ 共线.

解法一

连接 $PQ$,并且在 $PQ$ 上取一点 $M$,使得 $B,C,M,P$ 四点共圆,如图.

根据圆幂定理,有\[Q E^{2}=Q M \cdot Q P=Q C \cdot Q B,\]并且 $\angle P M C=\angle C B A=\angle P D Q$,所以 $C, D, Q, M$ 四点共圆,从而\[P M \cdot P Q=P C \cdot P D,\]进而\[P Q^{2}=P M \cdot P Q+Q M \cdot P Q=Q C \cdot Q B+P C \cdot P D.\]连接 $PF$,设 $PF$ 与圆的另一交点为 $E^{\prime}$,作 $Q G \perp P F$,垂足为 $G$,则\[P D \cdot P C=P E^{\prime} \cdot PF,QF^2=QC \cdot QB,\]所以\[P E^{\prime} \cdot P F+Q F^{2}=P Q^{2}\iff P E^{\prime} \cdot P F=P Q^{2}-Q E^{2}.\]又因为\[P Q^{2}-Q F^{2}=P G^{2}-G F^{2}=(P G-G F)(P G+G F)=P F(P G-G F),\]从而\[P G-G F=P E^{\prime}=P G-G E^{\prime},\]从而 $GF=G E^{\prime}$,故 $ E^{\prime}$ 与 $E$ 重合,$P,E,F$ 三点共线.

解法二

设过 $A,D$ 的切线相交于 $R$,过 $B,C$ 的切线相交于 $S,AC,BD$ 相交于 $T$,则 $R$ 为 $AD$ 的极点,$S$ 为 $BC$ 的极点.由于 $AD$ 过点 $Q$,$BC$ 过点 $Q$,所以 $Q$ 的极线 $EF$ 过点 $R,S$.在退化六边形 $AACDDB$ 中,由 帕斯卡($\tt Pasacal$)定理,$P,R,T$ 三点共线;类似的在 $ACCDBB$ 中,$P,S,T$ 三点共线.所以 $P,R,S,T$ 四点共线,即 $P$ 在直线 $EF$ 上,命题得证.

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