四边形的内接圆与外切圆

如图，已知四边形$ABCD$既有外接圆又有内切圆．设四边形的四边长分别为$a,b,c,d$，内切圆圆心到四个顶点的距离分别为$a',b',c',d'$，内切圆半径为$r$．求证：

$$\sin A+\sin B+\sin C+\sin D=\dfrac{8abcdr}{a'b'c'd'(a+b+c+d)}.$$

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分析与解　如图，设$a=x+y,b=y+z,c=z+w,d=w+x$，则考虑到$\triangle OAE$与$\triangle COF$相似，于是有

$$\tan\dfrac A2=\dfrac rx=\dfrac zr,$$ 类似的，有 $$\tan\dfrac B2=\dfrac ry=\dfrac wr,$$ 这样就有 $$\begin{split} \dfrac{4abcdr}{a'b'c'd'(a+b+c+d)}&=\dfrac{4r(x+y)(y+z)(z+w)(w+x)}{\sqrt{\left(x^2+r^2\right)\left(y^2+r^2\right)\left(z^2+r^2\right)\left(w^2+r^2\right)}\cdot 2\left(x+y+z+w\right)}\\ &=\dfrac{2\left(\dfrac xr+\dfrac yr\right)\left(\dfrac yr+\dfrac zr\right)\left(\dfrac zr+\dfrac wr\right)\left(\dfrac wr+\dfrac xr\right)}{\sqrt{\left(\dfrac xr\right)^2+1}\cdot \sqrt{\left(\dfrac yr\right)^2+1}\cdot \sqrt{\left(\dfrac zr\right)^2+1}\cdot \sqrt{\left(\dfrac wr\right)^2+1}\cdot \left(\dfrac xr+\dfrac yr+\dfrac zr+\dfrac wr\right)}\\ &=\dfrac{4\sin^2\dfrac{A+B}2\cdot\cos^2\dfrac{A-B}2}{2\sin\dfrac A2\cos\dfrac A2+2\sin\dfrac B2\cos\dfrac B2}\\ &=\sin A+\sin B ,\end{split}$$ 又 $$\sin A+\sin B+\sin C+\sin D=2\left(\sin A+\sin B\right),$$ 因此原命题得证．

思考与总结　利用半角处理与内切圆相关的问题往往可以起到事半功倍的作用．