IMO 1960 · Problem 3
In a given right triangle \(ABC\), the hypotenuse \(BC\), of length \(a\), is divided into \(n\) equal parts (\(n\) an odd integer). Let \(\alpha\) be the acute angle subtending, from \(A\), that segment which contains the midpoint of the hypotenuse. Let \(h\) be the length of the altitude to the hypotenuse of the triangle. Prove: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(M\) be the midpoint of \(BC\), and let \(P,Q\), in that order along \(BC\), be the endpoints of the segment containing \(M\). Since \(n\) is odd, \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] The number \(n\) is positive. If \(n=1\), then \(P=B\), \(Q=C\), and the subtended angle is \(90^\circ\), contrary to the hypothesis that it is acute. Thus \(n\ge3\).
The midpoint of the hypotenuse of a right triangle is its circumcenter, so \[ AM=\frac a2. \] Write \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
Because \(MP\) and \(MQ\) are opposite rays, the angles \(\angle AMP\) and \(\angle AMQ\) are supplementary. Applying the cosine rule in triangles \(AMP\) and \(AMQ\) and adding therefore gives \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] Now \(PQ=2d\) and \(\angle PAQ=\alpha\), so the cosine rule in triangle \(APQ\) yields \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] Consequently, \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
The distance from \(A\) to the line \(PQ=BC\) is \(h\). Computing the area of triangle \(APQ\) in two ways gives \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] hence \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] Dividing the last two identities, we obtain \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
The area calculation remains valid whether the foot of the altitude lies inside or outside \(PQ\), so all possible positions are covered.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1960 · Aufgabe 3
In einem gegebenen rechtwinkligen Dreieck \(ABC\) wird die Hypotenuse \(BC\) der Länge \(a\) in \(n\) gleiche Teile geteilt (\(n\) ist eine ungerade ganze Zahl). Sei \(\alpha\) der spitze Winkel, unter dem derjenige Abschnitt, der den Mittelpunkt der Hypotenuse enthält, von \(A\) aus erscheint. Sei \(h\) die Länge der Höhe auf die Hypotenuse des Dreiecks. Beweise: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\), und seien \(P,Q\), in dieser Reihenfolge entlang \(BC\), die Endpunkte des Abschnitts, der \(M\) enthält. Da \(n\) ungerade ist, gilt \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] Die Zahl \(n\) ist positiv. Für \(n=1\) ist \(P=B\), \(Q=C\), und der zugehörige Winkel beträgt \(90^\circ\), im Widerspruch zur Voraussetzung, dass er spitz ist. Daher ist \(n\ge3\).
Der Mittelpunkt der Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks ist dessen Umkreismittelpunkt, also gilt \[ AM=\frac a2. \] Wir setzen \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
Da \(MP\) und \(MQ\) entgegengesetzte Strahlen sind, ergänzen sich die Winkel \(\angle AMP\) und \(\angle AMQ\) zu einem gestreckten Winkel. Wenden wir den Kosinussatz in den Dreiecken \(AMP\) und \(AMQ\) an und addieren, so erhalten wir daher \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] Nun gilt \(PQ=2d\) und \(\angle PAQ=\alpha\), sodass der Kosinussatz im Dreieck \(APQ\) liefert: \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] Folglich gilt \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
Der Abstand von \(A\) zur Geraden \(PQ=BC\) ist \(h\). Berechnen wir den Flächeninhalt des Dreiecks \(APQ\) auf zwei Arten, so erhalten wir \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] also \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] Durch Division der letzten beiden Identitäten erhalten wir \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
Die Flächenberechnung gilt unabhängig davon, ob der Höhenfußpunkt innerhalb oder außerhalb von \(PQ\) liegt, sodass alle möglichen Lagen erfasst sind.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1960 · Soru 3
Verilen bir \(ABC\) dik üçgeninde, uzunluğu \(a\) olan \(BC\) hipotenüsü \(n\) eş parçaya ayrılmıştır (\(n\) bir tek tam sayıdır). Hipotenüsün orta noktasını içeren parçanın \(A\)'dan görüldüğü dar açı \(\alpha\) olsun. Üçgenin hipotenüsüne ait yüksekliğin uzunluğu \(h\) olsun. Aşağıdaki eşitliği kanıtlayınız: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(BC\)'nin orta noktası \(M\), \(M\)'yi içeren parçanın uç noktaları ise \(BC\) üzerinde bu sırayla \(P,Q\) olsun. \(n\) tek olduğundan \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] \(n\) sayısı pozitiftir. \(n=1\) ise \(P=B\), \(Q=C\) olur ve parçanın görüldüğü açı \(90^\circ\)'dir; bu, açının dar olduğu varsayımına aykırıdır. Dolayısıyla \(n\ge3\).
Bir dik üçgenin hipotenüsünün orta noktası, çevrel çemberinin merkezidir; dolayısıyla \[ AM=\frac a2. \] \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n} \] olarak yazalım.
\(MP\) ve \(MQ\) zıt ışınlar olduğundan, \(\angle AMP\) ve \(\angle AMQ\) açıları bütünlerdir. Bu nedenle \(AMP\) ve \(AMQ\) üçgenlerinde kosinüs teoremini uygulayıp elde edilen eşitlikleri toplayınca \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2 \] buluruz. Şimdi \(PQ=2d\) ve \(\angle PAQ=\alpha\) olduğundan, \(APQ\) üçgeninde kosinüs teoremi \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2) \] sonucunu verir. Böylece \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
\(A\)'nın \(PQ=BC\) doğrusuna uzaklığı \(h\)'dir. \(APQ\) üçgeninin alanını iki yoldan hesaplayınca \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] dolayısıyla \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh \] elde edilir. Son iki özdeşliği taraf tarafa bölerek \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}} \] buluruz.
Yüksekliğin ayağı \(PQ\)'nun içinde de dışında da olsa alan hesabı geçerli olduğundan, olası tüm konumlar ele alınmıştır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1960 · Problema 3
En un triángulo rectángulo dado \(ABC\), la hipotenusa \(BC\), de longitud \(a\), se divide en \(n\) partes iguales (\(n\) es un entero impar). Sea \(\alpha\) el ángulo agudo bajo el cual se ve desde \(A\) el segmento que contiene el punto medio de la hipotenusa. Sea \(h\) la longitud de la altura del triángulo relativa a la hipotenusa. Demostrar: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(M\) el punto medio de \(BC\), y sean \(P,Q\), en ese orden a lo largo de \(BC\), los extremos del segmento que contiene a \(M\). Como \(n\) es impar, \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] El número \(n\) es positivo. Si \(n=1\), entonces \(P=B\), \(Q=C\), y el ángulo subtendido es de \(90^\circ\), lo que contradice la hipótesis de que es agudo. Por tanto, \(n\ge3\).
El punto medio de la hipotenusa de un triángulo rectángulo es su circuncentro, por lo que \[ AM=\frac a2. \] Escribamos \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
Como \(MP\) y \(MQ\) son semirrectas opuestas, los ángulos \(\angle AMP\) y \(\angle AMQ\) son suplementarios. Por tanto, al aplicar el teorema del coseno en los triángulos \(AMP\) y \(AMQ\) y sumar, obtenemos \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] Ahora \(PQ=2d\) y \(\angle PAQ=\alpha\), por lo que el teorema del coseno en el triángulo \(APQ\) da \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] En consecuencia, \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
La distancia de \(A\) a la recta \(PQ=BC\) es \(h\). Al calcular el área del triángulo \(APQ\) de dos maneras, obtenemos \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] de donde \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] Dividiendo las dos últimas identidades, obtenemos \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
El cálculo del área sigue siendo válido tanto si el pie de la altura está dentro de \(PQ\) como si está fuera, de modo que quedan cubiertas todas las posiciones posibles.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1960 · 问题 3
在给定的直角三角形 \(ABC\) 中,将长为 \(a\) 的斜边 \(BC\) 分成 \(n\) 等份(\(n\) 为奇数)。设包含斜边中点的那一段在 \(A\) 点所张的锐角为 \(\alpha\)。设三角形斜边上的高为 \(h\)。证明: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(M\) 为 \(BC\) 的中点,\(P,Q\) 为包含 \(M\) 的那一段的两个端点,且沿 \(BC\) 方向依次排列。由于 \(n\) 为奇数, \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] \(n\) 为正数。若 \(n=1\),则 \(P=B\),\(Q=C\),所张的角为 \(90^\circ\),与该角为锐角的假设矛盾。因此 \(n\ge3\)。
直角三角形斜边的中点是其外心,故 \[ AM=\frac a2. \] 记 \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
由于 \(MP\) 与 \(MQ\) 是反向射线,\(\angle AMP\) 与 \(\angle AMQ\) 互补。因此,在三角形 \(AMP\) 和 \(AMQ\) 中分别应用余弦定理,再相加,得到 \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] 又因为 \(PQ=2d\) 且 \(\angle PAQ=\alpha\),在三角形 \(APQ\) 中应用余弦定理,得到 \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] 因此, \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
\(A\) 到直线 \(PQ=BC\) 的距离为 \(h\)。用两种方法计算三角形 \(APQ\) 的面积,得到 \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] 从而 \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] 将最后两个恒等式相除,得到 \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
无论高的垂足在线段 \(PQ\) 内部还是外部,上述面积计算都成立,因此涵盖了所有可能的位置。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1960 · Задача 3
В данном прямоугольном треугольнике \(ABC\) гипотенуза \(BC\) длины \(a\) разделена на \(n\) равных частей (\(n\) — нечётное целое число). Пусть \(\alpha\) — острый угол, под которым из точки \(A\) виден тот отрезок деления, который содержит середину гипотенузы. Пусть \(h\) — длина высоты треугольника, проведённой к гипотенузе. Докажите: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(M\) — середина \(BC\), а \(P,Q\), расположенные в указанном порядке вдоль \(BC\), — концы отрезка деления, содержащего \(M\). Поскольку \(n\) нечётно, \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] Число \(n\) положительно. Если \(n=1\), то \(P=B\), \(Q=C\), и угол, под которым виден отрезок, равен \(90^\circ\), вопреки условию о том, что он острый. Следовательно, \(n\ge3\).
Середина гипотенузы прямоугольного треугольника является центром его описанной окружности, поэтому \[ AM=\frac a2. \] Обозначим \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
Поскольку \(MP\) и \(MQ\) — противоположные лучи, сумма углов \(\angle AMP\) и \(\angle AMQ\) равна развёрнутому углу. Поэтому, применяя теорему косинусов в треугольниках \(AMP\) и \(AMQ\) и складывая полученные равенства, имеем \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] Теперь \(PQ=2d\) и \(\angle PAQ=\alpha\), так что теорема косинусов в треугольнике \(APQ\) даёт \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] Следовательно, \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
Расстояние от \(A\) до прямой \(PQ=BC\) равно \(h\). Вычисляя площадь треугольника \(APQ\) двумя способами, получаем \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] откуда \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] Деля два последних тождества, получаем \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
Вычисление площади остаётся верным независимо от того, лежит ли основание высоты внутри или вне \(PQ\), поэтому рассмотрены все возможные положения.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1960 · المسألة 3
في مثلث قائم الزاوية معطى \(ABC\)، قُسّم الوتر \(BC\)، الذي طوله \(a\)، إلى \(n\) أجزاء متساوية (حيث \(n\) عدد صحيح فردي). لتكن \(\alpha\) الزاوية الحادة التي تُرى بها، من \(A\)، القطعة التي تحتوي على منتصف الوتر. وليكن \(h\) طول الارتفاع على وتر المثلث. أثبت أن: \[ \tan\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)a}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(M\) منتصف \(BC\)، ولتكن \(P,Q\)، بهذا الترتيب على \(BC\)، طرفي القطعة التي تحتوي على \(M\). بما أن \(n\) فردي، فإن \[ MP=MQ=\frac{a}{2n}. \] العدد \(n\) موجب. إذا كان \(n=1\)، فإن \(P=B\) و\(Q=C\)، وتكون الزاوية التي تُرى بها القطعة \(90^\circ\)، خلافًا لفرض أنها حادة. إذن \(n\ge3\).
منتصف وتر المثلث القائم هو مركز دائرته المحيطة، لذا \[ AM=\frac a2. \] نكتب \[ r=AM=\frac a2,\qquad d=MP=MQ=\frac{a}{2n}. \]
بما أن \(MP\) و\(MQ\) شعاعان متعاكسان، فإن الزاويتين \(\angle AMP\) و\(\angle AMQ\) متكاملتان. وبتطبيق قانون جيب التمام في المثلثين \(AMP\) و\(AMQ\) ثم الجمع نحصل على \[ AP^2+AQ^2=2r^2+2d^2. \] والآن \(PQ=2d\) و\(\angle PAQ=\alpha\)، لذا يعطي قانون جيب التمام في المثلث \(APQ\) \[ 2AP\cdot AQ\cos\alpha =AP^2+AQ^2-PQ^2 =2(r^2-d^2). \] وبالتالي، \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=r^2-d^2>0. \]
المسافة من \(A\) إلى المستقيم \(PQ=BC\) هي \(h\). وبحساب مساحة المثلث \(APQ\) بطريقتين نحصل على \[ \frac12 AP\cdot AQ\sin\alpha =\frac12 PQ\cdot h=dh, \] ومن ثم \[ AP\cdot AQ\sin\alpha=2dh. \] بقسمة المتطابقتين الأخيرتين نحصل على \[ \tan\alpha =\frac{2dh}{r^2-d^2} =\frac{ah/n}{a^2/4-a^2/(4n^2)} =\boxed{\frac{4nh}{(n^2-1)a}}. \]
يظل حساب المساحة صحيحًا سواء وقعت قدم الارتفاع داخل \(PQ\) أم خارجها، وبذلك تكون جميع الأوضاع الممكنة مشمولة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).