IMO 1959 · Problem 6
Two planes, \(P\) and \(Q\), intersect along the line \(p\). The point \(A\) is given in the plane \(P\), and the point \(C\) in the plane \(Q\); neither of these points lies on the straight line \(p\). Construct an isosceles trapezoid \(ABCD\) (with \(AB\) parallel to \(CD\)) in which a circle can be inscribed, and with vertices \(B\) and \(D\) lying in the planes \(P\) and \(Q\) respectively.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(\ell_A\) and \(\ell_C\) be the lines through \(A\) and \(C\), respectively, parallel to \(p\).
In any solution, \(AB\) and \(CD\) must be parallel to \(p\). Indeed, the line through a point of \(p\) parallel to these two parallel lines belongs to both \(P\) and \(Q\), and therefore is \(p\). Thus necessarily \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] The lines \(\ell_A,\ell_C\) are distinct: otherwise their common line would belong to both given planes and hence equal \(p\), contrary to the hypotheses. They therefore determine a plane \(R\), in which we perform the construction.
Let \(H\) be the perpendicular projection of \(C\) onto \(\ell_A\), and put \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
We will obtain two proper isosceles trapezoids when \(d>h\), a square when \(d=h\), and no solution when \(d<h\).
Necessary conditions. Suppose the required trapezoid has base lengths \(a,b\) and equal leg length \(s\). Its bases have a common perpendicular bisector. For completeness, in a proper isosceles trapezoid we may write the vertices as \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] Equality of the legs gives \[ x^2=(x+b-a)^2. \] Since \(a\ne b\), this implies \(x=(a-b)/2\), proving the asserted symmetry. The rectangular case has the same symmetry.
Consequently, the projection of diagonal \(AC\) onto the direction of the bases has length \((a+b)/2\), and Pythagoras gives \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] If a circle is inscribed, adding the equal tangent lengths from the four vertices yields \[ a+b=2s. \] Thus \(s=d\), so \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] In particular, \(d\ge h\) is necessary.
Construction. Suppose \(d\ge h\).
- In \(R\), draw the circle with centre \(C\) and radius \(d\).
- For each intersection \(B\) of this circle with \(\ell_A\), construct the perpendicular bisector \(m\) of \(AB\).
- Reflect \(C\) across \(m\) to obtain \(D\).
There are two choices for \(B\) if \(d>h\), and one if \(d=h\).
Verification. Put \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] Since \(h>0\), we have \(0\le t<d\). Choose coordinates in \(R\) with \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] For either available choice, with \(\varepsilon\in\{1,-1\}\), \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] Reflection in the perpendicular bisector of \(AB\) gives \[ D=(\varepsilon t,h). \] Hence \(D\in\ell_C\), and \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] These coordinates show that \(A,B,C,D\) form a convex quadrilateral in the stated order. Reflection in \(m\) exchanges \(A,B\) and \(D,C\), so the trapezoid is isosceles. Moreover, \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] Also, \(B\in P\) and \(D\in Q\), as required.
It remains to prove that a circle can be inscribed; the equality of opposite-side sums alone will not be used as a sufficient condition.
Let \(X,Y\) be the midpoints of \(AB,CD\), and let \(O\) be the midpoint of \(XY\). The segment \(XY\) lies on the symmetry axis and is perpendicular to both bases. Thus \(O\) is inside the trapezoid and has distance \(h/2\) from each base. By symmetry, its distances from the two legs are equal; denote their common value by \(r\).
The area of the trapezoid is \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] Splitting it into the four triangles with vertex \(O\) gives \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] Therefore \(r=h/2\). The circle with centre \(O\) and radius \(h/2\) is consequently tangent to all four supporting lines. Its disk lies in their four inward half-planes, so it is contained in the trapezoid and touches all four side segments. This is the required incircle.
Finally, every solution has \(BC=d\), so its vertex \(B\) must be one of the circle-line intersections used above; symmetry then determines \(D\). Thus the construction is exhaustive.
When \(d=h\), we have \(t=0\), and the construction gives the square \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] If “trapezoid” is required to have exactly one pair of parallel sides, this square is excluded, and existence requires \(d>h\). When \(d<h\), including \(d=0\), no solution exists.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1959 · Aufgabe 6
Zwei Ebenen \(P\) und \(Q\) schneiden sich in der Geraden \(p\). In der Ebene \(P\) ist der Punkt \(A\) und in der Ebene \(Q\) der Punkt \(C\) gegeben; keiner dieser Punkte liegt auf der Geraden \(p\). Konstruiere ein gleichschenkliges Trapez \(ABCD\) (mit \(AB\) parallel zu \(CD\)), das einen Inkreis besitzt und dessen Eckpunkte \(B\) und \(D\) in den Ebenen \(P\) bzw. \(Q\) liegen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Seien \(\ell_A\) und \(\ell_C\) die Geraden durch \(A\) bzw. \(C\), die parallel zu \(p\) verlaufen.
Bei jeder Lösung müssen \(AB\) und \(CD\) parallel zu \(p\) sein. Denn die Gerade durch einen Punkt von \(p\), die parallel zu diesen beiden parallelen Geraden verläuft, gehört sowohl zu \(P\) als auch zu \(Q\) und ist daher \(p\). Somit gilt notwendigerweise \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] Die Geraden \(\ell_A,\ell_C\) sind verschieden: Andernfalls würde ihre gemeinsame Gerade zu beiden gegebenen Ebenen gehören und daher mit \(p\) übereinstimmen, im Widerspruch zu den Voraussetzungen. Sie bestimmen also eine Ebene \(R\), in der wir die Konstruktion durchführen.
Sei \(H\) der Lotfußpunkt von \(C\) auf \(\ell_A\), und setze \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
Wir werden für \(d>h\) zwei echte gleichschenklige Trapeze, für \(d=h\) ein Quadrat und für \(d<h\) keine Lösung erhalten.
Notwendige Bedingungen. Angenommen, das gesuchte Trapez hat die Grundseitenlängen \(a,b\) und die gemeinsame Schenkellänge \(s\). Seine Grundseiten haben eine gemeinsame Mittelsenkrechte. Der Vollständigkeit halber können wir die Eckpunkte eines echten gleichschenkligen Trapezes in folgender Form schreiben: \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] Aus der Gleichheit der Schenkellängen folgt \[ x^2=(x+b-a)^2. \] Wegen \(a\ne b\) folgt daraus \(x=(a-b)/2\), womit die behauptete Symmetrie bewiesen ist. Im rechteckigen Fall liegt dieselbe Symmetrie vor.
Folglich hat die Projektion der Diagonale \(AC\) auf die Richtung der Grundseiten die Länge \((a+b)/2\), und der Satz des Pythagoras liefert \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] Ist ein Kreis einbeschrieben, so ergibt die Addition der jeweils gleich langen Tangentenabschnitte von den vier Eckpunkten \[ a+b=2s. \] Also ist \(s=d\), sodass \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] Insbesondere ist \(d\ge h\) notwendig.
Konstruktion. Sei \(d\ge h\).
- Zeichne in \(R\) den Kreis mit Mittelpunkt \(C\) und Radius \(d\).
- Konstruiere für jeden Schnittpunkt \(B\) dieses Kreises mit \(\ell_A\) die Mittelsenkrechte \(m\) von \(AB\).
- Spiegle \(C\) an \(m\), um \(D\) zu erhalten.
Für \(d>h\) gibt es zwei Möglichkeiten für \(B\), für \(d=h\) eine.
Nachweis. Setze \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] Wegen \(h>0\) gilt \(0\le t<d\). Wähle Koordinaten in \(R\) mit \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] Für jede der möglichen Wahlen gilt mit \(\varepsilon\in\{1,-1\}\) \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] Die Spiegelung an der Mittelsenkrechten von \(AB\) ergibt \[ D=(\varepsilon t,h). \] Also ist \(D\in\ell_C\), und es gilt \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] Diese Koordinaten zeigen, dass \(A,B,C,D\) in der angegebenen Reihenfolge ein konvexes Viereck bilden. Die Spiegelung an \(m\) vertauscht \(A,B\) sowie \(D,C\), sodass das Trapez gleichschenklig ist. Außerdem gilt \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] Ferner gilt wie gefordert \(B\in P\) und \(D\in Q\).
Es bleibt zu beweisen, dass ein Kreis einbeschrieben werden kann; die Gleichheit der Summen gegenüberliegender Seiten allein wird nicht als hinreichende Bedingung verwendet.
Seien \(X,Y\) die Mittelpunkte von \(AB,CD\), und sei \(O\) der Mittelpunkt von \(XY\). Die Strecke \(XY\) liegt auf der Symmetrieachse und steht senkrecht auf beiden Grundseiten. Somit liegt \(O\) im Inneren des Trapezes und hat von jeder Grundseite den Abstand \(h/2\). Aus Symmetriegründen sind seine Abstände von den beiden Schenkeln gleich; ihren gemeinsamen Wert bezeichnen wir mit \(r\).
Der Flächeninhalt des Trapezes ist \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] Die Zerlegung in die vier Dreiecke mit Eckpunkt \(O\) ergibt \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] Also ist \(r=h/2\). Der Kreis mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(h/2\) berührt folglich alle vier Seitengeraden. Seine Kreisscheibe liegt in den vier von diesen Geraden begrenzten, nach innen gerichteten Halbebenen, ist also im Trapez enthalten und berührt alle vier Seitenstrecken. Dies ist der gesuchte Inkreis.
Schließlich gilt für jede Lösung \(BC=d\), sodass ihr Eckpunkt \(B\) einer der oben verwendeten Schnittpunkte von Kreis und Gerade sein muss; durch die Symmetrie ist dann \(D\) bestimmt. Somit ist die Konstruktion vollständig.
Für \(d=h\) gilt \(t=0\), und die Konstruktion liefert das Quadrat \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] Verlangt man von einem „Trapez“, dass es genau ein Paar paralleler Seiten besitzt, so ist dieses Quadrat ausgeschlossen, und für die Existenz ist \(d>h\) erforderlich. Für \(d<h\), einschließlich \(d=0\), gibt es keine Lösung.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1959 · Soru 6
\(P\) ve \(Q\) düzlemleri \(p\) doğrusu boyunca kesişiyor. \(P\) düzleminde \(A\) noktası ve \(Q\) düzleminde \(C\) noktası veriliyor; bu noktaların hiçbiri \(p\) doğrusu üzerinde değildir. İçine bir çember çizilebilen, \(B\) ve \(D\) köşeleri sırasıyla \(P\) ve \(Q\) düzlemlerinde bulunan bir \(ABCD\) ikizkenar yamuğu (\(AB\), \(CD\)'ye paralel olacak şekilde) çiziniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(\ell_A\) ve \(\ell_C\), sırasıyla \(A\) ve \(C\)'den geçen ve \(p\)'ye paralel olan doğrular olsun.
Her çözümde \(AB\) ve \(CD\), \(p\)'ye paralel olmalıdır. Gerçekten, \(p\) üzerindeki bir noktadan bu iki paralel doğruya paralel olarak çizilen doğru hem \(P\)'ye hem de \(Q\)'ya aittir ve dolayısıyla \(p\)'dir. Bu nedenle zorunlu olarak \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C \] olur. \(\ell_A,\ell_C\) doğruları farklıdır: aksi hâlde ortak doğruları verilen her iki düzleme de ait olur ve dolayısıyla \(p\)'ye eşit olurdu; bu ise varsayımlarla çelişir. Dolayısıyla bu doğrular, çizimi gerçekleştireceğimiz bir \(R\) düzlemi belirler.
\(H\), \(C\)'nin \(\ell_A\) üzerindeki dik izdüşümü olsun ve \[ d=AH,\qquad h=CH>0 \] olarak alalım.
\(d>h\) olduğunda taban uzunlukları farklı iki ikizkenar yamuk, \(d=h\) olduğunda bir kare elde edeceğiz; \(d<h\) olduğunda ise çözüm olmayacaktır.
Gerekli koşullar. İstenen yamuğun taban uzunlukları \(a,b\), eşit yan kenarlarının uzunluğu ise \(s\) olsun. Tabanlarının ortak bir orta dikmesi vardır. Eksiksiz olması için, taban uzunlukları farklı bir ikizkenar yamuğun köşelerini \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h) \] şeklinde yazabiliriz. Yan kenarların eşitliğinden \[ x^2=(x+b-a)^2 \] elde edilir. \(a\ne b\) olduğundan buradan \(x=(a-b)/2\) çıkar; bu da ileri sürülen simetriyi kanıtlar. Dikdörtgen durumu da aynı simetriye sahiptir.
Sonuç olarak, \(AC\) köşegeninin tabanların doğrultusundaki izdüşümünün uzunluğu \((a+b)/2\)'dir ve Pisagor teoreminden \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2 \] elde edilir. İçine bir çember çizilebiliyorsa dört köşeden çizilen teğetlerin eşit uzunluklarını toplayarak \[ a+b=2s \] bulunur. Böylece \(s=d\) olur, dolayısıyla \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2 \] elde edilir. Özellikle \(d\ge h\) olması gereklidir.
Çizim. \(d\ge h\) olduğunu varsayalım.
- \(R\) düzleminde merkezi \(C\), yarıçapı \(d\) olan çemberi çiziniz.
- Bu çemberin \(\ell_A\) ile her bir \(B\) kesişim noktası için \(AB\)'nin orta dikmesi \(m\)'yi çiziniz.
- \(C\)'yi \(m\)'ye göre yansıtarak \(D\)'yi elde ediniz.
\(d>h\) ise \(B\) için iki, \(d=h\) ise bir seçim vardır.
Doğrulama. \[ t=\sqrt{d^2-h^2} \] olsun. \(h>0\) olduğundan \(0\le t<d\) olur. \(R\)'de koordinatları \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h) \] olacak şekilde seçelim. Mümkün olan her bir seçim için, \(\varepsilon\in\{1,-1\}\) olmak üzere, \[ B=(d+\varepsilon t,0) \] olur. \(AB\)'nin orta dikmesine göre yansıma \[ D=(\varepsilon t,h) \] noktasını verir. Dolayısıyla \(D\in\ell_C\) olur ve \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0 \] elde edilir. Bu koordinatlar, \(A,B,C,D\) noktalarının belirtilen sırayla bir dışbükey dörtgen oluşturduğunu gösterir. \(m\)'ye göre yansıma \(A,B\) ve \(D,C\) noktalarını birbiriyle yer değiştirdiğinden yamuk ikizkenardır. Ayrıca \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d \] olur. Bunun yanında, istendiği gibi \(B\in P\) ve \(D\in Q\) sağlanır.
İçine bir çember çizilebildiğini kanıtlamak kalıyor; karşılıklı kenarların uzunlukları toplamlarının eşitliği tek başına yeterli koşul olarak kullanılmayacaktır.
\(X,Y\), \(AB,CD\)'nin orta noktaları ve \(O\), \(XY\)'nin orta noktası olsun. \(XY\) doğru parçası simetri ekseni üzerinde yer alır ve her iki tabana da diktir. Dolayısıyla \(O\) yamuğun içindedir ve her bir tabana uzaklığı \(h/2\)'dir. Simetri gereği iki yan kenara olan uzaklıkları eşittir; bu ortak değeri \(r\) ile gösterelim.
Yamuğun alanı \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh \] olur. Yamuğu birer köşesi \(O\) olan dört üçgene ayırırsak \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr \] elde ederiz. Dolayısıyla \(r=h/2\) olur. Sonuç olarak merkezi \(O\), yarıçapı \(h/2\) olan çember, dört kenarın üzerinde bulunduğu doğruların hepsine teğettir. Bu çemberin sınırladığı daire, bu doğruların her birinin yamuğun içine doğru olan yarı düzleminde yer aldığından yamuğun içinde kalır ve dört kenar parçasının hepsine teğettir. Bu, istenen iç teğet çemberdir.
Son olarak, her çözümde \(BC=d\) olduğundan \(B\) köşesi yukarıda kullanılan çember-doğru kesişim noktalarından biri olmalıdır; ardından simetri \(D\)'yi belirler. Böylece çizim tüm çözümleri kapsar.
\(d=h\) olduğunda \(t=0\) olur ve çizim \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d) \] karesini verir. “Yamuk” tanımı tam olarak bir çift paralel kenar bulunmasını gerektiriyorsa bu kare dışarıda bırakılır ve varlık için \(d>h\) gerekir. \(d=0\) da dâhil olmak üzere \(d<h\) olduğunda çözüm yoktur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1959 · Problema 6
Dos planos, \(P\) y \(Q\), se cortan según la recta \(p\). Se dan el punto \(A\) en el plano \(P\) y el punto \(C\) en el plano \(Q\); ninguno de estos puntos pertenece a la recta \(p\). Construya un trapecio isósceles \(ABCD\) (con \(AB\) paralelo a \(CD\)) en el que se pueda inscribir una circunferencia y cuyos vértices \(B\) y \(D\) pertenezcan a los planos \(P\) y \(Q\), respectivamente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(\ell_A\) y \(\ell_C\) las rectas que pasan por \(A\) y \(C\), respectivamente, y son paralelas a \(p\).
En cualquier solución, \(AB\) y \(CD\) deben ser paralelas a \(p\). En efecto, la recta que pasa por un punto de \(p\) y es paralela a estas dos rectas paralelas pertenece tanto a \(P\) como a \(Q\) y, por tanto, es \(p\). Así, necesariamente \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] Las rectas \(\ell_A,\ell_C\) son distintas: de lo contrario, su recta común pertenecería a ambos planos dados y, por tanto, coincidiría con \(p\), en contra de las hipótesis. En consecuencia, determinan un plano \(R\), en el que realizaremos la construcción.
Sea \(H\) la proyección ortogonal de \(C\) sobre \(\ell_A\), y sean \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
Obtendremos dos trapecios isósceles propiamente dichos cuando \(d>h\), un cuadrado cuando \(d=h\) y ninguna solución cuando \(d<h\).
Condiciones necesarias. Supongamos que el trapecio requerido tiene bases de longitudes \(a,b\) y lados no paralelos de igual longitud \(s\). Sus bases tienen una mediatriz común. Para completar la justificación, en un trapecio isósceles propiamente dicho podemos escribir los vértices como \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] La igualdad de los lados no paralelos da \[ x^2=(x+b-a)^2. \] Como \(a\ne b\), esto implica \(x=(a-b)/2\), lo que demuestra la simetría afirmada. El caso rectangular tiene la misma simetría.
En consecuencia, la proyección de la diagonal \(AC\) sobre la dirección de las bases tiene longitud \((a+b)/2\), y el teorema de Pitágoras da \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] Si hay una circunferencia inscrita, al sumar las longitudes iguales de los segmentos tangentes trazados desde los cuatro vértices se obtiene \[ a+b=2s. \] Así, \(s=d\), por lo que \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] En particular, es necesario que \(d\ge h\).
Construcción. Supongamos que \(d\ge h\).
- En \(R\), trace la circunferencia de centro \(C\) y radio \(d\).
- Para cada intersección \(B\) de esta circunferencia con \(\ell_A\), construya la mediatriz \(m\) de \(AB\).
- Refleje \(C\) respecto de \(m\) para obtener \(D\).
Hay dos posibilidades para \(B\) si \(d>h\), y una si \(d=h\).
Verificación. Sea \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] Como \(h>0\), tenemos \(0\le t<d\). Elijamos coordenadas en \(R\) tales que \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] Para cualquiera de las posibilidades disponibles, con \(\varepsilon\in\{1,-1\}\), \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] La reflexión respecto de la mediatriz de \(AB\) da \[ D=(\varepsilon t,h). \] Por tanto, \(D\in\ell_C\), y \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] Estas coordenadas muestran que \(A,B,C,D\) forman un cuadrilátero convexo en el orden indicado. La reflexión respecto de \(m\) intercambia \(A,B\) y \(D,C\), por lo que el trapecio es isósceles. Además, \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] Asimismo, \(B\in P\) y \(D\in Q\), como se requería.
Queda por demostrar que se puede inscribir una circunferencia; no se utilizará la igualdad de las sumas de lados opuestos, por sí sola, como condición suficiente.
Sean \(X,Y\) los puntos medios de \(AB,CD\), y sea \(O\) el punto medio de \(XY\). El segmento \(XY\) está sobre el eje de simetría y es perpendicular a ambas bases. Así, \(O\) está en el interior del trapecio y se encuentra a distancia \(h/2\) de cada base. Por simetría, sus distancias a los dos lados no paralelos son iguales; denotemos su valor común por \(r\).
El área del trapecio es \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] Al dividirlo en los cuatro triángulos con vértice \(O\), se obtiene \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] Por tanto, \(r=h/2\). En consecuencia, la circunferencia de centro \(O\) y radio \(h/2\) es tangente a las cuatro rectas que contienen los lados. Su disco está contenido en los cuatro semiplanos determinados por estas rectas que contienen el interior del trapecio, por lo que está contenido en el trapecio y toca los cuatro segmentos que forman sus lados. Esta es la circunferencia inscrita requerida.
Finalmente, toda solución cumple \(BC=d\), por lo que su vértice \(B\) debe ser una de las intersecciones de la circunferencia y la recta utilizadas anteriormente; la simetría determina entonces \(D\). Así, la construcción es exhaustiva.
Cuando \(d=h\), tenemos \(t=0\), y la construcción da el cuadrado \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] Si se exige que un «trapecio» tenga exactamente un par de lados paralelos, este cuadrado queda excluido, y la existencia requiere \(d>h\). Cuando \(d<h\), incluido \(d=0\), no existe solución.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1959 · 问题 6
两个平面 \(P\) 和 \(Q\) 相交于直线 \(p\)。在平面 \(P\) 内给定点 \(A\),在平面 \(Q\) 内给定点 \(C\);这两点都不在直线 \(p\) 上。作一个有内切圆的等腰梯形 \(ABCD\)(其中 \(AB\) 平行于 \(CD\)),使顶点 \(B\) 和 \(D\) 分别位于平面 \(P\) 和 \(Q\) 内。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(\ell_A\) 和 \(\ell_C\) 分别为过 \(A\) 和 \(C\) 且平行于 \(p\) 的直线。
在任一解中,\(AB\) 和 \(CD\) 都必须平行于 \(p\)。事实上,过 \(p\) 上一点且平行于这两条平行线的直线同时属于 \(P\) 和 \(Q\),因此它就是 \(p\)。所以必有 \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] 直线 \(\ell_A,\ell_C\) 不重合:否则,这条公共直线将同时属于两个给定平面,因而等于 \(p\),这与假设矛盾。因此,它们确定一个平面 \(R\),我们在此平面内进行作图。
设 \(H\) 为 \(C\) 在 \(\ell_A\) 上的垂足,并令 \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
我们将得到:当 \(d>h\) 时,有两个严格意义上的等腰梯形;当 \(d=h\) 时,有一个正方形;当 \(d<h\) 时,无解。
必要条件。 假设所求梯形的两底长为 \(a,b\),两腰长均为 \(s\)。它的两底有共同的垂直平分线。为使论证完整,对于严格意义上的等腰梯形,可将各顶点写为 \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] 由两腰相等得 \[ x^2=(x+b-a)^2. \] 由于 \(a\ne b\),这推出 \(x=(a-b)/2\),从而证明了所述的对称性。矩形的情形也具有同样的对称性。
因此,对角线 \(AC\) 在两底方向上的投影长为 \((a+b)/2\),由勾股定理得 \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] 若存在内切圆,将从四个顶点引出的相等切线段长相加,得 \[ a+b=2s. \] 于是 \(s=d\),所以 \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] 特别地,\(d\ge h\) 是必要条件。
作法。 假设 \(d\ge h\)。
- 在 \(R\) 内,作以 \(C\) 为圆心、\(d\) 为半径的圆。
- 对此圆与 \(\ell_A\) 的每个交点 \(B\),作 \(AB\) 的垂直平分线 \(m\)。
- 作 \(C\) 关于 \(m\) 的对称点,得到 \(D\)。
当 \(d>h\) 时,\(B\) 有两种选择;当 \(d=h\) 时,只有一种选择。
证明。 令 \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] 由于 \(h>0\),有 \(0\le t<d\)。在 \(R\) 内选取坐标,使 \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] 对于任一种可行的选择,取 \(\varepsilon\in\{1,-1\}\),有 \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] 关于 \(AB\) 的垂直平分线作反射,得 \[ D=(\varepsilon t,h). \] 因此 \(D\in\ell_C\),并且 \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] 这些坐标表明,\(A,B,C,D\) 按所列顺序构成一个凸四边形。关于 \(m\) 的反射交换 \(A,B\) 以及 \(D,C\),所以该梯形为等腰梯形。此外, \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] 又有 \(B\in P\) 且 \(D\in Q\),符合要求。
还需证明它有内切圆;我们不会仅将对边长度之和相等作为充分条件。
设 \(X,Y\) 分别为 \(AB,CD\) 的中点,\(O\) 为 \(XY\) 的中点。线段 \(XY\) 位于对称轴上,且与两底都垂直。因此,\(O\) 位于梯形内部,到每条底边的距离均为 \(h/2\)。由对称性,它到两腰的距离相等;记这个共同的距离为 \(r\)。
梯形的面积为 \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] 将它分成以 \(O\) 为顶点的四个三角形,得 \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] 因此 \(r=h/2\)。所以,以 \(O\) 为圆心、\(h/2\) 为半径的圆与四条边所在的直线都相切。此圆所围成的圆盘位于这四条直线朝向梯形内部的半平面内,因此包含在梯形中,并与四条边的线段均相切。这就是所求的内切圆。
最后,每个解都满足 \(BC=d\),所以其顶点 \(B\) 必须是上述圆与直线的交点之一;随后由对称性确定 \(D\)。因此,上述作法给出了所有解。
当 \(d=h\) 时,有 \(t=0\),上述作法得到正方形 \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] 若要求“梯形”恰有一组对边平行,则应排除这个正方形,此时存在解的条件为 \(d>h\)。当 \(d<h\) 时,包括 \(d=0\) 的情形,均无解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1959 · Задача 6
Две плоскости \(P\) и \(Q\) пересекаются по прямой \(p\). В плоскости \(P\) дана точка \(A\), а в плоскости \(Q\) — точка \(C\); ни одна из этих точек не лежит на прямой \(p\). Постройте равнобедренную трапецию \(ABCD\) (в которой \(AB\) параллельно \(CD\)), в которую можно вписать окружность и вершины \(B\) и \(D\) которой лежат в плоскостях \(P\) и \(Q\) соответственно.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(\ell_A\) и \(\ell_C\) — прямые, проходящие через \(A\) и \(C\) соответственно и параллельные \(p\).
В любом решении \(AB\) и \(CD\) должны быть параллельны \(p\). Действительно, прямая, проходящая через точку прямой \(p\) параллельно этим двум параллельным прямым, принадлежит и \(P\), и \(Q\), а значит, совпадает с \(p\). Таким образом, необходимо \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] Прямые \(\ell_A,\ell_C\) различны: иначе их общая прямая принадлежала бы обеим данным плоскостям и потому совпадала бы с \(p\), вопреки условию. Следовательно, они определяют плоскость \(R\), в которой мы и выполним построение.
Пусть \(H\) — основание перпендикуляра, опущенного из \(C\) на \(\ell_A\), и положим \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
При \(d>h\) мы получим две равнобедренные трапеции с неравными основаниями, при \(d=h\) — квадрат, а при \(d<h\) решений нет.
Необходимые условия. Предположим, что искомая трапеция имеет основания длины \(a,b\) и равные боковые стороны длины \(s\). У её оснований общий серединный перпендикуляр. Для полноты доказательства запишем вершины равнобедренной трапеции с неравными основаниями в виде \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] Равенство боковых сторон даёт \[ x^2=(x+b-a)^2. \] Поскольку \(a\ne b\), отсюда следует \(x=(a-b)/2\), что доказывает указанную симметрию. Прямоугольник обладает той же симметрией.
Следовательно, проекция диагонали \(AC\) на направление оснований имеет длину \((a+b)/2\), и по теореме Пифагора получаем \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] Если в трапецию вписана окружность, то, складывая равные длины отрезков касательных, проведённых из четырёх вершин, получаем \[ a+b=2s. \] Таким образом, \(s=d\), поэтому \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] В частности, необходимо \(d\ge h\).
Построение. Предположим, что \(d\ge h\).
- В плоскости \(R\) проведём окружность с центром \(C\) и радиусом \(d\).
- Для каждой точки \(B\) пересечения этой окружности с \(\ell_A\) построим серединный перпендикуляр \(m\) к \(AB\).
- Отразим \(C\) относительно \(m\), получив точку \(D\).
При \(d>h\) существуют два варианта выбора \(B\), а при \(d=h\) — один.
Доказательство. Положим \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] Поскольку \(h>0\), имеем \(0\le t<d\). Выберем координаты в \(R\) так, чтобы \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] Для любого из возможных вариантов выбора при \(\varepsilon\in\{1,-1\}\) имеем \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] Отражение относительно серединного перпендикуляра к \(AB\) даёт \[ D=(\varepsilon t,h). \] Следовательно, \(D\in\ell_C\), причём \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] Эти координаты показывают, что точки \(A,B,C,D\) в указанном порядке образуют выпуклый четырёхугольник. Отражение относительно \(m\) меняет местами \(A,B\) и \(D,C\), поэтому трапеция равнобедренная. Кроме того, \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] Также \(B\in P\) и \(D\in Q\), как и требуется.
Остаётся доказать, что в трапецию можно вписать окружность; само по себе равенство сумм противоположных сторон мы не будем использовать как достаточное условие.
Пусть \(X,Y\) — середины \(AB,CD\), а \(O\) — середина \(XY\). Отрезок \(XY\) лежит на оси симметрии и перпендикулярен обоим основаниям. Поэтому \(O\) находится внутри трапеции на расстоянии \(h/2\) от каждого основания. В силу симметрии расстояния от неё до двух боковых сторон равны; обозначим их общее значение через \(r\).
Площадь трапеции равна \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] Разбивая её на четыре треугольника с вершиной \(O\), получаем \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] Следовательно, \(r=h/2\). Таким образом, окружность с центром \(O\) и радиусом \(h/2\) касается всех четырёх прямых, содержащих стороны. Ограниченный ею круг лежит в каждой из четырёх полуплоскостей, обращённых внутрь трапеции, поэтому он содержится в трапеции и касается всех четырёх отрезков сторон. Это и есть искомая вписанная окружность.
Наконец, в любом решении \(BC=d\), поэтому вершина \(B\) должна быть одной из использованных выше точек пересечения окружности и прямой; после этого симметрия определяет \(D\). Таким образом, построение даёт все решения.
При \(d=h\) имеем \(t=0\), и построение даёт квадрат \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] Если от трапеции требуется наличие ровно одной пары параллельных сторон, этот квадрат исключается и условием существования становится \(d>h\). При \(d<h\), в том числе при \(d=0\), решений нет.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1959 · المسألة 6
يتقاطع مستويان \(P\) و\(Q\) في المستقيم \(p\). النقطة \(A\) معطاة في المستوى \(P\)، والنقطة \(C\) معطاة في المستوى \(Q\)؛ ولا تقع أي من هاتين النقطتين على المستقيم \(p\). أنشئ شبه منحرف متساوي الساقين \(ABCD\) (بحيث يكون \(AB\) موازيًا لـ \(CD\)) يمكن رسم دائرة داخله تمس أضلاعه الأربعة، ويقع رأساه \(B\) و\(D\) في المستويين \(P\) و\(Q\) على الترتيب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(\ell_A\) و\(\ell_C\) المستقيمين المارين بالنقطتين \(A\) و\(C\)، على الترتيب، والموازيين لـ \(p\).
في أي حل، لا بد أن يكون \(AB\) و\(CD\) موازيين لـ \(p\). فالمستقيم المار بنقطة من \(p\) والموازي لهذين المستقيمين المتوازيين يقع في كلٍّ من \(P\) و\(Q\)، ولذلك فهو \(p\) نفسه. ومن ثم يلزم أن \[ B\in\ell_A,\qquad D\in\ell_C. \] المستقيمان \(\ell_A,\ell_C\) مختلفان: وإلا لكان مستقيمهما المشترك واقعًا في كلا المستويين المعطيين، ومن ثم لكان هو \(p\)، خلافًا للفرضيات. ولذلك فهما يحددان مستوى \(R\)، نجري فيه الإنشاء.
لتكن \(H\) المسقط العمودي للنقطة \(C\) على \(\ell_A\)، ولنضع \[ d=AH,\qquad h=CH>0. \]
سنحصل على شبهي منحرف متساويي الساقين ذوي قاعدتين غير متساويتين عندما \(d>h\)، وعلى مربع عندما \(d=h\)، ولا يوجد حل عندما \(d<h\).
الشروط اللازمة. لنفترض أن شبه المنحرف المطلوب طولا قاعدتيه \(a,b\)، وطول كل من ساقيه المتساويتين \(s\). لقاعدتيه عمود منصف مشترك. واستكمالًا للبرهان، يمكننا في شبه منحرف متساوي الساقين ذي قاعدتين غير متساويتين أن نكتب إحداثيات الرؤوس على الصورة \[ (0,0),\quad(a,0),\quad(x+b,h),\quad(x,h). \] يعطي تساوي الساقين \[ x^2=(x+b-a)^2. \] وبما أن \(a\ne b\)، فإن هذا يستلزم \(x=(a-b)/2\)، مما يثبت التناظر المذكور. وتتمتع حالة المستطيل بالتناظر نفسه.
وبالتالي فإن طول مسقط القطر \(AC\) على اتجاه القاعدتين هو \((a+b)/2\)، وتعطي مبرهنة فيثاغورس \[ d=\frac{a+b}{2}, \qquad s^2=h^2+\left(\frac{a-b}{2}\right)^2. \] إذا وُجدت دائرة داخلية مماسة للأضلاع، فإن جمع أطوال المماسات المتساوية المنطلقة من الرؤوس الأربعة يعطي \[ a+b=2s. \] إذن \(s=d\)، ومن ثم \[ \left(\frac{a-b}{2}\right)^2=d^2-h^2. \] وعلى وجه الخصوص، فإن \(d\ge h\) شرط لازم.
الإنشاء. لنفترض أن \(d\ge h\).
- ارسم في \(R\) الدائرة التي مركزها \(C\) ونصف قطرها \(d\).
- لكل نقطة تقاطع \(B\) لهذه الدائرة مع \(\ell_A\)، أنشئ العمود المنصف \(m\) للقطعة \(AB\).
- اعكس \(C\) حول \(m\) لتحصل على \(D\).
يوجد اختياران للنقطة \(B\) إذا كان \(d>h\)، واختيار واحد إذا كان \(d=h\).
التحقق. لنضع \[ t=\sqrt{d^2-h^2}. \] بما أن \(h>0\)، فإن \(0\le t<d\). نختار إحداثيات في \(R\) بحيث \[ A=(0,0),\qquad H=(d,0),\qquad C=(d,h). \] لكل من الاختيارين المتاحين، حيث \(\varepsilon\in\{1,-1\}\)، \[ B=(d+\varepsilon t,0). \] يعطي الانعكاس حول العمود المنصف للقطعة \(AB\) \[ D=(\varepsilon t,h). \] ومن ثم \(D\in\ell_C\)، و \[ AB=d+\varepsilon t>0,\qquad CD=d-\varepsilon t>0. \] تُبيِّن هذه الإحداثيات أن \(A,B,C,D\) تشكل رباعيًا محدبًا بالترتيب المذكور. ويبادل الانعكاس حول \(m\) بين \(A,B\) وبين \(D,C\)، لذا فإن شبه المنحرف متساوي الساقين. علاوة على ذلك، \[ AD=BC=d,\qquad AB+CD=2d. \] كذلك، \(B\in P\) و\(D\in Q\)، كما هو مطلوب.
يبقى أن نثبت إمكان رسم دائرة داخلية مماسة للأضلاع؛ ولن نستخدم تساوي مجموعي طولي الضلعين المتقابلين وحده بوصفه شرطًا كافيًا.
لتكن \(X,Y\) منتصفي \(AB,CD\)، ولتكن \(O\) منتصف \(XY\). تقع القطعة \(XY\) على محور التناظر، وهي عمودية على كلتا القاعدتين. لذا تقع \(O\) داخل شبه المنحرف، وتبعد مسافة \(h/2\) عن كل قاعدة. وبالتناظر، يتساوى بُعداها عن الساقين؛ ولنرمز إلى قيمتهما المشتركة بـ \(r\).
مساحة شبه المنحرف هي \[ K=\frac{(AB+CD)h}{2}=dh. \] وبتقسيمه إلى المثلثات الأربعة التي رأسها \(O\)، نحصل على \[ K =\frac{(AB+CD)h}{4} +\frac{(AD+BC)r}{2} =\frac{dh}{2}+dr. \] وبالتالي \(r=h/2\). ومن ثم فإن الدائرة التي مركزها \(O\) ونصف قطرها \(h/2\) تمس المستقيمات الأربعة الحاملة للأضلاع. ويقع قرصها في أنصاف المستويات الأربعة المحددة بهذه المستقيمات والمتجهة نحو الداخل، لذا فهو محتوى في شبه المنحرف، ويمس القطع الأربع التي تشكل أضلاعه. وهذه هي الدائرة الداخلية المطلوبة.
وأخيرًا، يحقق كل حل \(BC=d\)، ولذلك يجب أن يكون رأسه \(B\) إحدى نقط تقاطع الدائرة والمستقيم المستخدمة أعلاه؛ ثم يحدد التناظر النقطة \(D\). وهكذا يشمل الإنشاء جميع الحلول.
عندما \(d=h\)، يكون \(t=0\)، ويعطي الإنشاء المربع \[ A=(0,0),\quad B=(d,0),\quad C=(d,d),\quad D=(0,d). \] إذا اشترط تعريف «شبه المنحرف» أن يكون له زوج واحد فقط من الأضلاع المتوازية، فإن هذا المربع يُستبعد، ويستلزم وجود الحل \(d>h\). وعندما \(d<h\)، بما في ذلك \(d=0\)، لا يوجد حل.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).