Gọi
A là giao điểm khác I của hai đường tròn (O2) và (O3),
B là giao điểm khác I của hai đường tròn (O3) và (O1),
C là giao điểm khác I của hai đường tròn (O1) và (O2).
Ta có:
O1I = O2I = O3I = R.
Vì A thuộc (O2) và (O3) nên
O2A = O3A = R.
Suy ra O2A = O2I và O3A = O3I.
Do đó tứ giác O2AO3I là hình thoi.
Vì thế O2O3 là đường trung trực của AI, hay A là ảnh của I qua đường thẳng O2O3.
Tương tự:
B là ảnh của I qua O3O1,
C là ảnh của I qua O1O2.
a) Chứng minh tam giác ABC bằng tam giác O1O2O3
Xét đoạn AB.
Vì A là ảnh của I qua O2O3 nên tia O3A đối xứng với tia O3I qua O3O2.
Vì B là ảnh của I qua O3O1 nên tia O3B đối xứng với tia O3I qua O3O1.
Suy ra
góc AO3B = 2 góc O2O3O1.
Mặt khác, ba điểm O1, O2, O3 cùng thuộc đường tròn tâm I bán kính R, nên góc O1IO2 là góc ở tâm chắn dây O1O2, còn góc O1O3O2 là góc nội tiếp cùng chắn dây ấy.
Do đó
góc O1IO2 = 2 góc O1O3O2 = 2 góc O2O3O1.
Vậy
góc AO3B = góc O1IO2.
Hai đường tròn tâm O3 và tâm I có cùng bán kính R, mà hai dây AB và O1O2 chắn hai góc ở tâm bằng nhau, nên
AB = O1O2.
Làm tương tự, ta được
BC = O2O3,
CA = O3O1.
Vậy ba cạnh tương ứng bằng nhau:
AB = O1O2,
BC = O2O3,
CA = O3O1.
Suy ra tam giác ABC bằng tam giác O1O2O3.
b) Chứng minh I là trực tâm tam giác ABC
Ta sẽ chứng minh AI vuông góc BC.
Ở trên ta đã có:
O2O3 là đường trung trực của AI
nên AI vuông góc O2O3.
Bây giờ chỉ cần chứng minh BC song song O2O3.
Vì B là ảnh của I qua O3O1 nên O1B = O1I.
Vì C là ảnh của I qua O1O2 nên O1C = O1I.
Suy ra
O1B = O1I = O1C,
nên B, I, C cùng thuộc đường tròn tâm O1.
Lại có:
góc BO1C = 2 góc O3O1O2.
Do tam giác BO1C cân tại O1, nên
góc BCO1 = (180 độ - góc BO1C) : 2
= 90 độ - góc O3O1O2.
Mặt khác, vì C là ảnh của I qua O1O2 nên
góc CO1O2 = góc IO1O2.
Trong tam giác cân O1IO2, ta có
góc O1IO2 = 2 góc O1O3O2
nên
góc IO1O2 = 90 độ - góc O1O3O2.
Do đó
góc giữa BC và O1O2
= góc BCO1 + góc CO1O2
= (90 độ - góc O3O1O2) + (90 độ - góc O1O3O2)
= góc O1O2O3.
Vì góc giữa BC và O1O2 bằng góc giữa O2O3 và O1O2 nên
BC song song O2O3.
Mà AI vuông góc O2O3, nên AI vuông góc BC.
Tương tự, ta chứng minh được
BI vuông góc AC,
CI vuông góc AB.
Vậy I là giao điểm ba đường cao của tam giác ABC, tức là trực tâm của tam giác ABC.
Kết luận:
a) Tam giác ABC bằng tam giác O1O2O3.
b) I là trực tâm của tam giác ABC.