Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. El cuadrilátero $ABCD$ puede ser o bien un rombo o bien un trapecio isósceles. En el caso del rombo, se tiene que $r_1=r_2=r_3=r_4$ por simetría de la figura, luego la fórmula dada se cumple evidentemente. Supondremos entonces que se trata de un trapecio isósceles y supondremos sin perder generalidad que $BC=AD=1$ y escribiremos $CD=x\lt 1$. La condición de que tiene círculo inscrito nos dice que $AB+CD=BC+AD$, de donde $CD=2-x$.

Los triángulos $BEC$ y $AED$ son congruentes, luego $r_4=r_2$. Los triángulos $AEB$ y $CED$ son semejantes ya que $AB$ y $CD$ son paralelas y están en proporción $2-x$ a $x$. En consecuencia, tenemos que $r_1=\frac{2-x}{x}r_3$, lo que nos permite reescribir la condición del enunciado como: \[\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_3}=\frac{1}{r_2}+\frac{1}{r_4}\ \Leftrightarrow\ r_2=(2-x)r_3.\] Sea $P$ el pie de la perpendicular por $D$ al lado $AB$. El teorema de Pitágoras en el triángulo $APD$ nos dice que $1=AP^2+DP^2=(1-x)^2+DP^2$ y en el triángulo $BDP$ nos dice que $BD^2=DP^2+BP^2=DP^2+1$. De estas dos ecuaciones, se deduce que $DP^2=1+2x-x^2$, luego se tiene por la semejanza entre $CED$ y $AEB$ que \[DE=\frac{x}{2}DP=\frac{x}{2}\sqrt{1+2x-x^2},\qquad BE=\frac{2-x}{2}DP=\frac{2-x}{2}\sqrt{1+2x-x^2}.\] Para obtener la relación entre $r_2$ y $r_3$, usamos que el área de un triángulo es igual al semiperímetro por el radio inscrito en los triángulos $BEC$ y $CED$, que tienen por altura común $h$ a la perpendicular por $C$ a $DB$. En el triángulo $BEC$, tenemos que \[\tfrac{1}{2}(1+\sqrt{1+2x-x^2})r_2=\tfrac{1}{2}BE\cdot h=\frac{2-x}{4}\sqrt{1+2x-x^2}\cdot h,\] mientras que en el triángulo $CED$ obtenemos \[\tfrac{1}{2}(x+x\sqrt{1+2x-x^2})r_3=\tfrac{1}{2}DE\cdot h=\frac{x}{4}\sqrt{1+2x-x^2}\cdot h.\] Despejando e igualando $h$ en ambas fórmulas, se tiene que $r_2=(2-x)r_3$, como queríamos demostrar.