IMO 1959 · Problem 5
An arbitrary point \(M\) is selected in the interior of the segment \(AB\). The squares \(AMCD\) and \(MBEF\) are constructed on the same side of \(AB\), with the segments \(AM\) and \(MB\) as their respective bases. The circles circumscribed about these squares, with centers \(P\) and \(Q\), intersect at \(M\) and also at another point \(N\). Let \(N'\) denote the point of intersection of the straight lines \(AF\) and \(BC\).
(a) Prove that the points \(N\) and \(N'\) coincide.
(b) Prove that the straight lines \(MN\) pass through a fixed point \(S\) independent of the choice of \(M\).
(c) Find the locus of the midpoints of the segments \(PQ\) as \(M\) varies between \(A\) and \(B\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
(a) \(N=N'\).
(b) Let \(O\) be the midpoint of \(AB\). The fixed point \(S\) lies on the perpendicular to \(AB\) through \(O\), on the side opposite the squares, with \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) The locus is an open segment parallel to \(AB\), of length \(AB/2\). Its midpoint lies on the perpendicular through \(O\), on the same side as the squares, at distance \(AB/4\) from \(AB\).
Solution
Put \(AM=a\), \(MB=b\), and \(AB=L=a+b\), so \(a,b>0\). Choose coordinates \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] with the squares above the \(x\)-axis. Then \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] and the circumcenters are \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] The two circumcircles therefore have equations \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) The lines \(AF\) and \(BC\) have respective equations \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] Their determinant is \(a^2+b^2>0\), so they have a unique intersection. Writing \(d=a^2+b^2\), we obtain \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] At this point, \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] where the last equality uses \(a+b=L\). Hence \(N'\in\Gamma_1\). Also, since \(ax+by=aL\), \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] so \(N'\in\Gamma_2\).
The ordinate of \(N'\) is positive, whereas \(M\) has ordinate zero; thus \(N'\ne M\). The circles are distinct because their centers have different abscissae. Consequently their common point other than \(M\) is precisely \(N'\), proving \(N=N'\).
(b) Subtracting the circle equations shows that every common point satisfies \[ Lx+(b-a)y=aL. \] Since \(M\) and \(N\) are distinct, this is the equation of \(MN\).
The point \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] satisfies this equation for every \(a,b>0\) with \(a+b=L\), because \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] Thus every line \(MN\) passes through this fixed \(S\).
These calculations include \(a=b\): then \(N=C=F=(L/2,L/2)\), and \(MN\) is the vertical line \(x=L/2\).
(c) If \(R\) is the midpoint of \(PQ\), then \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] As \(M\) varies through the interior of \(AB\), the parameter \(a\) varies through \(0<a<L\). Hence \(R\) ranges over exactly \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] Conversely, every point of this open segment corresponds to the admissible choice \(a=2x-L/2\). This proves the stated locus, with both endpoints excluded.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1959 · Aufgabe 5
Im Inneren der Strecke \(AB\) wird ein beliebiger Punkt \(M\) gewählt. Auf derselben Seite von \(AB\) werden die Quadrate \(AMCD\) und \(MBEF\) mit den Strecken \(AM\) bzw. \(MB\) als Grundseiten errichtet. Die Umkreise dieser Quadrate mit den Mittelpunkten \(P\) und \(Q\) schneiden sich in \(M\) und in einem weiteren Punkt \(N\). Mit \(N'\) sei der Schnittpunkt der Geraden \(AF\) und \(BC\) bezeichnet.
(a) Beweise, dass die Punkte \(N\) und \(N'\) zusammenfallen.
(b) Beweise, dass die Geraden \(MN\) durch einen festen Punkt \(S\) gehen, der von der Wahl von \(M\) unabhängig ist.
(c) Bestimme den geometrischen Ort der Mittelpunkte der Strecken \(PQ\), wenn \(M\) zwischen \(A\) und \(B\) variiert.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
(a) \(N=N'\).
(b) Sei \(O\) der Mittelpunkt von \(AB\). Der feste Punkt \(S\) liegt auf der Senkrechten zu \(AB\) durch \(O\), auf der den Quadraten gegenüberliegenden Seite, und es gilt \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) Der geometrische Ort ist eine offene Strecke parallel zu \(AB\) mit der Länge \(AB/2\). Ihr Mittelpunkt liegt auf der Senkrechten durch \(O\), auf derselben Seite wie die Quadrate, im Abstand \(AB/4\) von \(AB\).
Lösung
Setze \(AM=a\), \(MB=b\) und \(AB=L=a+b\), also \(a,b>0\). Wähle Koordinaten \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] so, dass die Quadrate oberhalb der \(x\)-Achse liegen. Dann gilt \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] und die Umkreismittelpunkte sind \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] Die beiden Umkreise haben daher die Gleichungen \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) Die Geraden \(AF\) und \(BC\) haben die jeweiligen Gleichungen \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] Die Determinante dieses Gleichungssystems ist \(a^2+b^2>0\), sodass sie genau einen Schnittpunkt haben. Mit \(d=a^2+b^2\) erhalten wir \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] Für diesen Punkt gilt \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] wobei die letzte Gleichheit auf \(a+b=L\) beruht. Also ist \(N'\in\Gamma_1\). Wegen \(ax+by=aL\) gilt außerdem \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] also \(N'\in\Gamma_2\).
Die Ordinate von \(N'\) ist positiv, während \(M\) die Ordinate null hat; somit ist \(N'\ne M\). Die Kreise sind verschieden, da ihre Mittelpunkte verschiedene Abszissen haben. Folglich ist ihr von \(M\) verschiedener gemeinsamer Punkt genau \(N'\), womit \(N=N'\) bewiesen ist.
(b) Subtraktion der Kreisgleichungen zeigt, dass jeder gemeinsame Punkt die folgende Gleichung erfüllt: \[ Lx+(b-a)y=aL. \] Da \(M\) und \(N\) verschieden sind, ist dies die Gleichung von \(MN\).
Der Punkt \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] erfüllt diese Gleichung für alle \(a,b>0\) mit \(a+b=L\), denn \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] Somit geht jede Gerade \(MN\) durch diesen festen Punkt \(S\).
Diese Rechnungen schließen den Fall \(a=b\) ein: Dann ist \(N=C=F=(L/2,L/2)\), und \(MN\) ist die vertikale Gerade \(x=L/2\).
(c) Ist \(R\) der Mittelpunkt von \(PQ\), so gilt \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] Wenn \(M\) das Innere von \(AB\) durchläuft, durchläuft der Parameter \(a\) den Bereich \(0<a<L\). Somit durchläuft \(R\) genau die Menge \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] Umgekehrt entspricht jeder Punkt dieser offenen Strecke der zulässigen Wahl \(a=2x-L/2\). Damit ist der angegebene geometrische Ort bewiesen, wobei beide Endpunkte ausgeschlossen sind.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1959 · Soru 5
\(AB\) doğru parçasının iç bölgesinde herhangi bir \(M\) noktası seçiliyor. \(AB\)'nin aynı tarafında, sırasıyla \(AM\) ve \(MB\) doğru parçaları taban olacak şekilde \(AMCD\) ve \(MBEF\) kareleri çiziliyor. Bu karelerin merkezleri \(P\) ve \(Q\) olan çevrel çemberleri \(M\)'de ve bir başka \(N\) noktasında kesişiyor. \(AF\) ve \(BC\) doğrularının kesişim noktası \(N'\) olsun.
(a) \(N\) ve \(N'\) noktalarının çakıştığını kanıtlayınız.
(b) \(MN\) doğrularının, \(M\)'nin seçiminden bağımsız sabit bir \(S\) noktasından geçtiğini kanıtlayınız.
(c) \(M\), \(A\) ile \(B\) arasında değişirken \(PQ\) doğru parçalarının orta noktalarının geometrik yerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(a) \(N=N'\).
(b) \(O\), \(AB\)'nin orta noktası olsun. Sabit \(S\) noktası, \(O\)'dan \(AB\)'ye çizilen dik doğru üzerinde, karelerin bulunduğu tarafın karşı tarafında yer alır ve \[ OS=\frac{AB}{2} \] eşitliğini sağlar.
(c) Geometrik yer, \(AB\)'ye paralel, uzunluğu \(AB/2\) olan bir açık doğru parçasıdır. Orta noktası, \(O\)'dan çizilen dik doğru üzerinde, karelerle aynı tarafta ve \(AB\)'den \(AB/4\) uzaklıkta bulunur.
Çözüm
\(AM=a\), \(MB=b\) ve \(AB=L=a+b\) olsun; böylece \(a,b>0\) olur. Kareler \(x\) ekseninin üstünde kalacak biçimde koordinatları \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] olarak seçelim. O hâlde \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] olur ve çevrel çemberlerin merkezleri \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right) \] şeklindedir. Dolayısıyla iki çevrel çemberin denklemleri \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0 \] olur.
(a) \(AF\) ve \(BC\) doğrularının denklemleri sırasıyla \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL \] şeklindedir. Bu sistemin determinantı \(a^2+b^2>0\) olduğundan doğruların tek bir kesişim noktası vardır. \(d=a^2+b^2\) yazarsak \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right) \] elde ederiz. Bu noktada \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] olur; son eşitlikte \(a+b=L\) kullanılmıştır. Dolayısıyla \(N'\in\Gamma_1\) olur. Ayrıca \(ax+by=aL\) olduğundan \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] elde edilir; dolayısıyla \(N'\in\Gamma_2\) olur.
\(N'\)'nün ordinatı pozitiftir, oysa \(M\)'nin ordinatı sıfırdır; bu nedenle \(N'\ne M\) olur. Merkezlerinin apsisleri farklı olduğundan çemberler farklıdır. Dolayısıyla \(M\) dışındaki ortak noktaları tam olarak \(N'\)'dür; böylece \(N=N'\) kanıtlanır.
(b) Çember denklemlerini birbirinden çıkarmak, her ortak noktanın \[ Lx+(b-a)y=aL \] eşitliğini sağladığını gösterir. \(M\) ve \(N\) farklı olduğundan bu, \(MN\)'nin denklemidir.
\[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] noktası, \(a+b=L\) koşulunu sağlayan her \(a,b>0\) için bu denklemi sağlar; çünkü \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL \] olur. Böylece her \(MN\) doğrusu bu sabit \(S\) noktasından geçer.
Bu hesaplamalar \(a=b\) durumunu da kapsar: bu durumda \(N=C=F=(L/2,L/2)\) olur ve \(MN\), \(x=L/2\) düşey doğrusudur.
(c) \(R\), \(PQ\)'nun orta noktası ise \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right) \] olur. \(M\), \(AB\)'nin iç bölgesinde değişirken \(a\) parametresi \(0<a<L\) aralığında değişir. Dolayısıyla \(R\)'nin aldığı değerlerin kümesi tam olarak \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\} \] olur. Tersine, bu açık doğru parçasının her noktası, izin verilen \(a=2x-L/2\) seçimine karşılık gelir. Bu, her iki uç noktanın da dışarıda bırakıldığı belirtilen geometrik yeri kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1959 · Problema 5
Se elige un punto arbitrario \(M\) en el interior del segmento \(AB\). Se construyen los cuadrados \(AMCD\) y \(MBEF\) en el mismo lado de \(AB\), con los segmentos \(AM\) y \(MB\) como bases respectivas. Las circunferencias circunscritas a estos cuadrados, de centros \(P\) y \(Q\), se cortan en \(M\) y también en otro punto \(N\). Sea \(N'\) el punto de intersección de las rectas \(AF\) y \(BC\).
(a) Demuestre que los puntos \(N\) y \(N'\) coinciden.
(b) Demuestre que las rectas \(MN\) pasan por un punto fijo \(S\) independiente de la elección de \(M\).
(c) Halle el lugar geométrico de los puntos medios de los segmentos \(PQ\) cuando \(M\) varía entre \(A\) y \(B\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
(a) \(N=N'\).
(b) Sea \(O\) el punto medio de \(AB\). El punto fijo \(S\) está en la perpendicular a \(AB\) por \(O\), en el lado opuesto al de los cuadrados, con \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) El lugar geométrico es un segmento abierto paralelo a \(AB\), de longitud \(AB/2\). Su punto medio está en la perpendicular por \(O\), en el mismo lado que los cuadrados, a distancia \(AB/4\) de \(AB\).
Solución
Sean \(AM=a\), \(MB=b\) y \(AB=L=a+b\), de modo que \(a,b>0\). Elijamos coordenadas \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] con los cuadrados por encima del eje \(x\). Entonces \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] y los circuncentros son \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] Por tanto, las dos circunferencias circunscritas tienen ecuaciones \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) Las rectas \(AF\) y \(BC\) tienen, respectivamente, las ecuaciones \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] Su determinante es \(a^2+b^2>0\), por lo que tienen una única intersección. Escribiendo \(d=a^2+b^2\), obtenemos \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] En este punto, \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] donde la última igualdad utiliza \(a+b=L\). Por tanto, \(N'\in\Gamma_1\). Además, como \(ax+by=aL\), \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] de modo que \(N'\in\Gamma_2\).
La ordenada de \(N'\) es positiva, mientras que \(M\) tiene ordenada cero; así pues, \(N'\ne M\). Las circunferencias son distintas porque sus centros tienen abscisas diferentes. En consecuencia, su punto común distinto de \(M\) es precisamente \(N'\), lo que demuestra que \(N=N'\).
(b) Al restar las ecuaciones de las circunferencias se ve que todo punto común satisface \[ Lx+(b-a)y=aL. \] Como \(M\) y \(N\) son distintos, esta es la ecuación de \(MN\).
El punto \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] satisface esta ecuación para todos \(a,b>0\) con \(a+b=L\), porque \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] Así, toda recta \(MN\) pasa por este punto fijo \(S\).
Estos cálculos incluyen \(a=b\): entonces \(N=C=F=(L/2,L/2)\), y \(MN\) es la recta vertical \(x=L/2\).
(c) Si \(R\) es el punto medio de \(PQ\), entonces \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] Cuando \(M\) recorre el interior de \(AB\), el parámetro \(a\) recorre \(0<a<L\). Por tanto, \(R\) recorre exactamente \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] Recíprocamente, cada punto de este segmento abierto corresponde a la elección admisible \(a=2x-L/2\). Esto demuestra que el lugar geométrico es el indicado, con ambos extremos excluidos.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1959 · 问题 5
在线段 \(AB\) 的内部任取一点 \(M\)。在 \(AB\) 的同侧,分别以线段 \(AM\) 和 \(MB\) 为底边作正方形 \(AMCD\) 和 \(MBEF\)。这两个正方形的外接圆的圆心分别为 \(P\) 和 \(Q\),两圆除相交于 \(M\) 外,还相交于另一点 \(N\)。记直线 \(AF\) 与 \(BC\) 的交点为 \(N'\)。
(a) 证明点 \(N\) 与 \(N'\) 重合。
(b) 证明直线 \(MN\) 经过一个与 \(M\) 的选择无关的定点 \(S\)。
(c) 当 \(M\) 在 \(A\)、\(B\) 之间变动时,求线段 \(PQ\) 的中点的轨迹。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
(a) \(N=N'\)。
(b) 设 \(O\) 为 \(AB\) 的中点。定点 \(S\) 位于过 \(O\) 且垂直于 \(AB\) 的直线上,在 \(AB\) 的与正方形相反的一侧,且 \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) 轨迹是一条平行于 \(AB\)、长为 \(AB/2\) 的开线段。它的中点位于过 \(O\) 的垂线上,与正方形在 \(AB\) 的同侧,到 \(AB\) 的距离为 \(AB/4\)。
解答
令 \(AM=a\)、\(MB=b\)、\(AB=L=a+b\),则 \(a,b>0\)。选取坐标,使 \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] 且两个正方形均在 \(x\) 轴上方。于是 \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] 两个外心为 \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] 因此,两个外接圆的方程为 \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) 直线 \(AF\) 和 \(BC\) 的方程分别为 \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] 它们的系数行列式为 \(a^2+b^2>0\),所以有唯一交点。记 \(d=a^2+b^2\),可得 \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] 在此点处, \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] 其中最后一个等号用到了 \(a+b=L\)。因此 \(N'\in\Gamma_1\)。又因为 \(ax+by=aL\), \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] 所以 \(N'\in\Gamma_2\)。
\(N'\) 的纵坐标为正,而 \(M\) 的纵坐标为零,故 \(N'\ne M\)。两圆的圆心横坐标不同,所以两圆不重合。因此,它们除 \(M\) 外的公共点恰为 \(N'\),从而证明了 \(N=N'\)。
(b) 将两个圆的方程相减,可知每个公共点都满足 \[ Lx+(b-a)y=aL. \] 由于 \(M\) 与 \(N\) 不同,这就是 \(MN\) 的方程。
点 \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] 对于所有满足 \(a+b=L\) 的 \(a,b>0\) 都满足此方程,因为 \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] 因此,每条直线 \(MN\) 都经过这个定点 \(S\)。
上述计算也包括 \(a=b\) 的情形:此时 \(N=C=F=(L/2,L/2)\),而 \(MN\) 是竖直直线 \(x=L/2\)。
(c) 若 \(R\) 是 \(PQ\) 的中点,则 \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] 当 \(M\) 在线段 \(AB\) 的内部变动时,参数 \(a\) 遍历 \(0<a<L\)。因此,\(R\) 恰好遍历 \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] 反过来,这条开线段上的每一点都对应于一个符合条件的取值 \(a=2x-L/2\)。这就证明了所述轨迹,且两个端点均不包括在内。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1959 · Задача 5
Внутри отрезка \(AB\) выбрана произвольная точка \(M\). По одну сторону от \(AB\) построены квадраты \(AMCD\) и \(MBEF\) с основаниями \(AM\) и \(MB\) соответственно. Окружности, описанные около этих квадратов, с центрами \(P\) и \(Q\), пересекаются в точке \(M\) и ещё в одной точке \(N\). Обозначим через \(N'\) точку пересечения прямых \(AF\) и \(BC\).
(a) Докажите, что точки \(N\) и \(N'\) совпадают.
(b) Докажите, что прямые \(MN\) проходят через фиксированную точку \(S\), не зависящую от выбора \(M\).
(c) Найдите геометрическое место середин отрезков \(PQ\), когда \(M\) перемещается между \(A\) и \(B\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
(a) \(N=N'\).
(b) Пусть \(O\) — середина \(AB\). Фиксированная точка \(S\) лежит на перпендикуляре к \(AB\), проходящем через \(O\), по сторону, противоположную квадратам, причём \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) Искомое геометрическое место — отрезок без концов, параллельный \(AB\), длины \(AB/2\). Его середина лежит на перпендикуляре, проходящем через \(O\), по ту же сторону, что и квадраты, на расстоянии \(AB/4\) от \(AB\).
Решение
Положим \(AM=a\), \(MB=b\) и \(AB=L=a+b\), так что \(a,b>0\). Выберем координаты \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] так, чтобы квадраты лежали выше оси \(x\). Тогда \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] а центры описанных окружностей имеют координаты \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] Следовательно, две описанные окружности задаются уравнениями \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) Прямые \(AF\) и \(BC\) имеют соответственно уравнения \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] Определитель этой системы равен \(a^2+b^2>0\), поэтому прямые имеют единственную точку пересечения. Обозначив \(d=a^2+b^2\), получаем \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] В этой точке \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] где в последнем равенстве использовано \(a+b=L\). Следовательно, \(N'\in\Gamma_1\). Кроме того, поскольку \(ax+by=aL\), \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] так что \(N'\in\Gamma_2\).
Ордината точки \(N'\) положительна, тогда как ордината \(M\) равна нулю; следовательно, \(N'\ne M\). Окружности различны, поскольку абсциссы их центров различны. Поэтому их общая точка, отличная от \(M\), — именно \(N'\), что доказывает равенство \(N=N'\).
(b) Вычитая уравнения окружностей, видим, что каждая их общая точка удовлетворяет равенству \[ Lx+(b-a)y=aL. \] Поскольку \(M\) и \(N\) различны, это уравнение прямой \(MN\).
Точка \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] удовлетворяет этому уравнению при любых \(a,b>0\), для которых \(a+b=L\), поскольку \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] Таким образом, каждая прямая \(MN\) проходит через эту фиксированную точку \(S\).
Эти вычисления охватывают и случай \(a=b\): тогда \(N=C=F=(L/2,L/2)\), а \(MN\) — вертикальная прямая \(x=L/2\).
(c) Если \(R\) — середина \(PQ\), то \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] Когда \(M\) пробегает внутренние точки отрезка \(AB\), параметр \(a\) пробегает значения \(0<a<L\). Следовательно, \(R\) пробегает в точности множество \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] Обратно, каждой точке этого отрезка без концов соответствует допустимое значение \(a=2x-L/2\). Тем самым доказано, что геометрическое место имеет указанный вид, причём оба конца исключены.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1959 · المسألة 5
تُختار نقطة كيفما كانت \(M\) في داخل القطعة \(AB\). يُنشأ المربعان \(AMCD\) و\(MBEF\) في الجهة نفسها من \(AB\)، بحيث تكون القطعتان \(AM\) و\(MB\) قاعدتيهما على الترتيب. تتقاطع الدائرتان المحيطتان بهذين المربعين، ومركزاهما \(P\) و\(Q\)، عند \(M\) وعند نقطة أخرى \(N\). ولتكن \(N'\) نقطة تقاطع المستقيمين \(AF\) و\(BC\).
(a) أثبت أن النقطتين \(N\) و\(N'\) تنطبقان.
(b) أثبت أن المستقيمات \(MN\) تمر بنقطة ثابتة \(S\) لا تعتمد على اختيار \(M\).
(c) أوجد المحل الهندسي لمنتصفات القطع \(PQ\) عندما تتغير \(M\) بين \(A\) و\(B\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
(a) \(N=N'\).
(b) ليكن \(O\) منتصف \(AB\). تقع النقطة الثابتة \(S\) على العمود على \(AB\) المار بالنقطة \(O\)، في الجهة المقابلة للمربعين، بحيث \[ OS=\frac{AB}{2}. \]
(c) المحل الهندسي هو قطعة مفتوحة موازية لـ \(AB\)، طولها \(AB/2\). يقع منتصفها على العمود المار بالنقطة \(O\)، في جهة المربعين نفسها، وعلى بُعد \(AB/4\) من \(AB\).
الحل
لنضع \(AM=a\)، و\(MB=b\)، و\(AB=L=a+b\)، بحيث \(a,b>0\). نختار الإحداثيات \[ A=(0,0),\qquad M=(a,0),\qquad B=(L,0), \] بحيث يقع المربعان فوق محور \(x\). عندئذ \[ C=(a,a),\qquad F=(a,b), \] ومركزا الدائرتين المحيطتين هما \[ P=\left(\frac a2,\frac a2\right),\qquad Q=\left(\frac{L+a}{2},\frac b2\right). \] ومن ثم فإن معادلتي الدائرتين المحيطتين هما \[ \Gamma_1:\quad x^2+y^2-a x-a y=0, \] \[ \Gamma_2:\quad x^2+y^2-(L+a)x-b y+aL=0. \]
(a) معادلتا المستقيمين \(AF\) و\(BC\)، على الترتيب، هما \[ bx-ay=0,\qquad ax+by=aL. \] محدد معامليهما هو \(a^2+b^2>0\)، لذا فلهما نقطة تقاطع وحيدة. وبوضع \(d=a^2+b^2\)، نحصل على \[ N'=\left(\frac{La^2}{d},\frac{Lab}{d}\right). \] عند هذه النقطة، \[ x^2+y^2=\frac{L^2a^2}{d}=Lx=a(x+y), \] حيث استُخدمت العلاقة \(a+b=L\) في المساواة الأخيرة. ومن ثم \(N'\in\Gamma_1\). كذلك، بما أن \(ax+by=aL\)، فإن \[ x^2+y^2-(L+a)x-by+aL =Lx-(L+a)x-by+aL=0, \] ومن ثم \(N'\in\Gamma_2\).
الإحداثي الصادي للنقطة \(N'\) موجب، بينما الإحداثي الصادي للنقطة \(M\) يساوي صفرًا؛ لذا \(N'\ne M\). والدائرتان مختلفتان لأن لمركزيهما إحداثيين سينيين مختلفين. وبالتالي فإن نقطتهما المشتركة غير \(M\) هي بالضبط \(N'\)، مما يثبت أن \(N=N'\).
(b) بطرح معادلتي الدائرتين، يتبين أن كل نقطة مشتركة تحقق \[ Lx+(b-a)y=aL. \] وبما أن \(M\) و\(N\) نقطتان مختلفتان، فهذه هي معادلة \(MN\).
النقطة \[ S=\left(\frac L2,-\frac L2\right) \] تحقق هذه المعادلة لكل \(a,b>0\) بحيث \(a+b=L\)، لأن \[ L\frac L2+(b-a)\left(-\frac L2\right) =\frac L2(L-b+a)=aL. \] إذن يمر كل مستقيم \(MN\) بهذه النقطة الثابتة \(S\).
تشمل هذه الحسابات الحالة \(a=b\): عندئذ \(N=C=F=(L/2,L/2)\)، ويكون \(MN\) هو المستقيم الرأسي \(x=L/2\).
(c) إذا كانت \(R\) منتصف \(PQ\)، فإن \[ R=\left(\frac{L+2a}{4},\frac{a+b}{4}\right) =\left(\frac L4+\frac a2,\frac L4\right). \] عندما تتغير \(M\) في داخل \(AB\)، يتغير الوسيط \(a\) في المجال \(0<a<L\). ومن ثم تجتاز \(R\) المجموعة التالية بالضبط \[ \left\{(x,L/4):\frac L4<x<\frac{3L}{4}\right\}. \] وبالعكس، تقابل كل نقطة من هذه القطعة المفتوحة الاختيار المقبول \(a=2x-L/2\). وهذا يثبت المحل الهندسي المذكور، مع استبعاد كلا الطرفين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).