IMO 1960 · Problem 4
Construct triangle \(ABC\), given \(h_a, h_b\) (the altitudes from \(A\) and \(B\)) and \(m_a\), the median from vertex \(A\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] These lengths must be positive for a nondegenerate triangle.
The key observation is that if \(M\) is the midpoint of \(BC\), then \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] where \(d(P,r)\) denotes the perpendicular distance from a point to a line. Indeed, the homothety with center \(C\) and ratio \(2\) sends \(M\) to \(B\) and preserves the line \(AC\).
Thus we seek two lines: \(BC\), passing through \(M\) at distance \(p\) from \(A\), and \(AC\), passing through \(A\) at distance \(q\) from \(M\).
Construction.
- Draw a segment \(AM\) of length \(m\).
- Draw the circle with center \(A\) and radius \(p\). Construct all its tangent lines \(\ell\) through \(M\).
- Draw the circle with center \(M\) and radius \(q\). Construct all its tangent lines \(t\) through \(A\).
- For each nonparallel pair \((\ell,t)\), let \(C=\ell\cap t\), and construct \(B\) as the reflection of \(C\) in \(M\).
These are straightedge-and-compass operations. For either tangent construction, when the given point is outside the circle, the circle with diameter \(AM\) determines the two tangent points by intersection with the relevant circle, using Thales’ theorem. When the given point lies on the circle, the unique tangent is the perpendicular to \(AM\) at that point.
Verification. Since \(p,q>0\), the point \(A\) does not lie on \(\ell\), and \(M\) does not lie on \(t\). Consequently \(C\ne M\), so \(B\ne C\), and \(ABC\) is nondegenerate.
By construction, \(M\) is the midpoint of \(BC\), and therefore the median from \(A\) has length \(AM=m\). Tangency gives \[ d(A,BC)=p. \] The homothety described above gives \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] Thus every triangle constructed has precisely the prescribed data.
Existence and limiting cases. In any solution, \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] Hence \(p\le m\) and \(q\le m\) are necessary.
If \(p=q=m\), both tangent constructions have only one line: \(\ell\) is perpendicular to \(AM\) at \(M\), while \(t\) is perpendicular to \(AM\) at \(A\). They are distinct parallel lines, so no triangle exists.
Conversely, suppose \(p\le m\) and \(q\le m\), with at least one inequality strict. Both tangent families are nonempty, and at least one family contains two distinct lines. Fix any line in the other family. The two distinct lines, which pass through the same point, cannot both be parallel to that fixed line. Hence a nonparallel pair exists and produces a triangle.
Thus the exact existence conditions are \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{with simultaneous equality excluded}.} \] This includes the cases where either inequality alone is an equality. Parallel choices are simply discarded.
Finally, every possible solution is obtained: after identifying its vertex \(A\) and midpoint \(M\) with the constructed segment, its lines \(BC\) and \(AC\) must belong to the respective tangent families, and \(B\) must be the reflection of \(C\) in \(M\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1960 · Aufgabe 4
Konstruiere das Dreieck \(ABC\), wenn \(h_a, h_b\) (die Höhen von \(A\) und \(B\)) und \(m_a\), die Seitenhalbierende vom Eckpunkt \(A\), gegeben sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] Für ein nicht entartetes Dreieck müssen diese Längen positiv sein.
Die entscheidende Beobachtung ist, dass für den Mittelpunkt \(M\) von \(BC\) gilt: \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] wobei \(d(P,r)\) den senkrechten Abstand eines Punktes von einer Geraden bezeichnet. Tatsächlich bildet die zentrische Streckung mit Zentrum \(C\) und Faktor \(2\) den Punkt \(M\) auf \(B\) ab und lässt die Gerade \(AC\) unverändert.
Wir suchen also zwei Geraden: \(BC\), die durch \(M\) verläuft und den Abstand \(p\) von \(A\) hat, und \(AC\), die durch \(A\) verläuft und den Abstand \(q\) von \(M\) hat.
Konstruktion.
- Zeichne eine Strecke \(AM\) der Länge \(m\).
- Zeichne den Kreis mit Mittelpunkt \(A\) und Radius \(p\). Konstruiere alle seine Tangenten \(\ell\) durch \(M\).
- Zeichne den Kreis mit Mittelpunkt \(M\) und Radius \(q\). Konstruiere alle seine Tangenten \(t\) durch \(A\).
- Setze für jedes Paar nicht paralleler Geraden \((\ell,t)\) den Punkt \(C=\ell\cap t\), und konstruiere \(B\) als Spiegelbild von \(C\) bei der Punktspiegelung an \(M\).
Diese Konstruktionen lassen sich mit Zirkel und Lineal ausführen. Liegt der gegebene Punkt außerhalb des Kreises, so bestimmt bei jeder der beiden Tangentenkonstruktionen der Kreis mit Durchmesser \(AM\) durch seine Schnittpunkte mit dem jeweiligen Kreis die beiden Berührpunkte; dies folgt aus dem Satz des Thales. Liegt der gegebene Punkt auf dem Kreis, so ist die einzige Tangente die Senkrechte zu \(AM\) in diesem Punkt.
Nachweis. Wegen \(p,q>0\) liegt der Punkt \(A\) nicht auf \(\ell\), und \(M\) liegt nicht auf \(t\). Folglich ist \(C\ne M\), also \(B\ne C\), und \(ABC\) ist nicht entartet.
Nach Konstruktion ist \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\), und daher hat die Seitenhalbierende von \(A\) die Länge \(AM=m\). Aus der Tangentialität folgt \[ d(A,BC)=p. \] Die oben beschriebene zentrische Streckung liefert \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] Somit hat jedes konstruierte Dreieck genau die vorgeschriebenen Maße.
Existenz und Grenzfälle. Für jede Lösung gilt \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] Daher sind \(p\le m\) und \(q\le m\) notwendig.
Ist \(p=q=m\), so liefert jede der beiden Tangentenkonstruktionen nur eine Gerade: \(\ell\) steht senkrecht auf \(AM\) im Punkt \(M\), während \(t\) senkrecht auf \(AM\) im Punkt \(A\) steht. Dies sind verschiedene parallele Geraden, sodass kein Dreieck existiert.
Nehmen wir umgekehrt an, dass \(p\le m\) und \(q\le m\) gelten und mindestens eine der Ungleichungen strikt ist. Beide Tangentenmengen sind nicht leer, und mindestens eine der Mengen enthält zwei verschiedene Geraden. Wir wählen eine beliebige Gerade aus der anderen Menge und halten sie fest. Die beiden verschiedenen Geraden, die durch denselben Punkt verlaufen, können nicht beide zu dieser festen Geraden parallel sein. Daher gibt es ein Paar nicht paralleler Geraden, das ein Dreieck liefert.
Die genauen Existenzbedingungen lauten somit \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{wobei gleichzeitige Gleichheit ausgeschlossen ist}.} \] Dies schließt die Fälle ein, in denen nur in einer der beiden Ungleichungen Gleichheit gilt. Parallele Geradenpaare werden einfach verworfen.
Schließlich wird jede mögliche Lösung erfasst: Bringt man ihren Eckpunkt \(A\) und ihren Mittelpunkt \(M\) mit den Endpunkten der konstruierten Strecke zur Deckung, so müssen ihre Geraden \(BC\) und \(AC\) zu den jeweiligen Tangentenmengen gehören, und \(B\) muss das Spiegelbild von \(C\) bei der Punktspiegelung an \(M\) sein.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1960 · Soru 4
\(h_a, h_b\) (\(A\) ve \(B\)'den çizilen yükseklikler) ve \(A\) köşesinden çizilen kenarortay \(m_a\) verildiğinde \(ABC\) üçgenini inşa ediniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a \] olsun. Üçgenin dejenere olmaması için bu uzunluklar pozitif olmalıdır.
Temel gözlem şudur: \(M\), \(BC\)'nin orta noktası ise \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] burada \(d(P,r)\), bir noktanın bir doğruya dik uzaklığını gösterir. Gerçekten de merkezi \(C\), oranı \(2\) olan homoteti, \(M\)'yi \(B\)'ye götürür ve \(AC\) doğrusunu korur.
Dolayısıyla iki doğru arıyoruz: \(M\)'den geçen ve \(A\)'ya uzaklığı \(p\) olan \(BC\) doğrusu ile \(A\)'dan geçen ve \(M\)'ye uzaklığı \(q\) olan \(AC\) doğrusu.
İnşa.
- Uzunluğu \(m\) olan bir \(AM\) doğru parçası çiziniz.
- Merkezi \(A\), yarıçapı \(p\) olan çemberi çiziniz. Bu çembere \(M\)'den geçen tüm \(\ell\) teğet doğrularını inşa ediniz.
- Merkezi \(M\), yarıçapı \(q\) olan çemberi çiziniz. Bu çembere \(A\)'dan geçen tüm \(t\) teğet doğrularını inşa ediniz.
- Paralel olmayan her \((\ell,t)\) çifti için \(C=\ell\cap t\) olsun ve \(B\)'yi, \(C\)'nin \(M\)'ye göre simetriği olarak inşa ediniz.
Bunlar cetvel ve pergel ile yapılabilen işlemlerdir. Her iki teğet inşasında da verilen nokta çemberin dışında olduğunda, çapı \(AM\) olan çemberin ilgili çemberle kesişimleri, Thales teoremi uyarınca iki teğet noktasını belirler. Verilen nokta çemberin üzerinde olduğunda, tek teğet, o noktada \(AM\)'ye dik olan doğrudur.
Doğrulama. \(p,q>0\) olduğundan \(A\) noktası \(\ell\) üzerinde, \(M\) noktası da \(t\) üzerinde değildir. Dolayısıyla \(C\ne M\), buradan da \(B\ne C\) olur ve \(ABC\) dejenere değildir.
İnşa gereği \(M\), \(BC\)'nin orta noktasıdır; dolayısıyla \(A\)'dan çizilen kenarortayın uzunluğu \(AM=m\)'dir. Teğetlikten \[ d(A,BC)=p \] elde edilir. Yukarıda açıklanan homoteti \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b \] eşitliğini verir. Böylece inşa edilen her üçgen, verilen ölçüleri tam olarak sağlar.
Varlık ve sınır durumları. Her çözümde \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m \] olur. Bu nedenle \(p\le m\) ve \(q\le m\) gereklidir.
\(p=q=m\) ise her iki teğet inşası da yalnızca bir doğru verir: \(\ell\), \(M\)'de \(AM\)'ye dikken \(t\), \(A\)'da \(AM\)'ye diktir. Bunlar birbirinden farklı paralel doğrulardır; dolayısıyla böyle bir üçgen yoktur.
Tersine, en az bir eşitsizlik kesin olmak üzere \(p\le m\) ve \(q\le m\) olduğunu varsayalım. Her iki teğet ailesi de boş değildir ve ailelerin en az biri iki farklı doğru içerir. Diğer aileden herhangi bir doğruyu sabitleyelim. Aynı noktadan geçen iki farklı doğrunun ikisi birden bu sabit doğruya paralel olamaz. Dolayısıyla paralel olmayan bir çift vardır ve bu çift bir üçgen verir.
Böylece varlık için gerek ve yeter koşullar \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{iki eşitliğin aynı anda sağlandığı durum hariç}} \] biçimindedir. Bu, eşitsizliklerden yalnızca birinin eşitlik olduğu durumları da içerir. Paralel olan seçimler elenir.
Son olarak, olası her çözüm elde edilir: çözümün \(A\) köşesi ve \(M\) orta noktası inşa edilen doğru parçasının uçlarıyla çakıştırıldığında, \(BC\) ve \(AC\) doğruları ilgili teğet ailelerine ait olmalı ve \(B\), \(C\)'nin \(M\)'ye göre simetriği olmalıdır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1960 · Problema 4
Construir el triángulo \(ABC\), dados \(h_a, h_b\) (las alturas desde \(A\) y \(B\)) y \(m_a\), la mediana desde el vértice \(A\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] Estas longitudes deben ser positivas para que el triángulo no sea degenerado.
La observación clave es que, si \(M\) es el punto medio de \(BC\), entonces \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] donde \(d(P,r)\) denota la distancia perpendicular de un punto a una recta. En efecto, la homotecia de centro \(C\) y razón \(2\) lleva \(M\) a \(B\) y deja invariante la recta \(AC\).
Por tanto, buscamos dos rectas: \(BC\), que pasa por \(M\) y está a distancia \(p\) de \(A\), y \(AC\), que pasa por \(A\) y está a distancia \(q\) de \(M\).
Construcción.
- Trazar un segmento \(AM\) de longitud \(m\).
- Trazar la circunferencia de centro \(A\) y radio \(p\). Construir todas sus rectas tangentes \(\ell\) que pasan por \(M\).
- Trazar la circunferencia de centro \(M\) y radio \(q\). Construir todas sus rectas tangentes \(t\) que pasan por \(A\).
- Para cada par \((\ell,t)\) de rectas no paralelas, tomar \(C=\ell\cap t\) y construir \(B\) como el simétrico de \(C\) respecto de \(M\).
Estas operaciones se realizan con regla y compás. En cualquiera de las dos construcciones de tangentes, cuando el punto dado es exterior a la circunferencia, la circunferencia de diámetro \(AM\) determina los dos puntos de tangencia al intersectar la circunferencia correspondiente, por el teorema de Tales. Cuando el punto dado pertenece a la circunferencia, la única tangente es la perpendicular a \(AM\) por ese punto.
Verificación. Como \(p,q>0\), el punto \(A\) no pertenece a \(\ell\), y \(M\) no pertenece a \(t\). En consecuencia, \(C\ne M\), por lo que \(B\ne C\), y \(ABC\) no es degenerado.
Por construcción, \(M\) es el punto medio de \(BC\), y, por tanto, la mediana desde \(A\) tiene longitud \(AM=m\). La tangencia da \[ d(A,BC)=p. \] La homotecia descrita anteriormente da \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] Por tanto, todo triángulo construido tiene exactamente los datos prescritos.
Existencia y casos límite. En cualquier solución, \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] Por tanto, \(p\le m\) y \(q\le m\) son condiciones necesarias.
Si \(p=q=m\), ambas construcciones de tangentes dan una sola recta: \(\ell\) es perpendicular a \(AM\) en \(M\), mientras que \(t\) es perpendicular a \(AM\) en \(A\). Son rectas paralelas distintas, por lo que no existe ningún triángulo.
Recíprocamente, supongamos que \(p\le m\) y \(q\le m\), con al menos una desigualdad estricta. Ambas familias de tangentes son no vacías, y al menos una de ellas contiene dos rectas distintas. Fijemos una recta cualquiera de la otra familia. Las dos rectas distintas, que pasan por un mismo punto, no pueden ser ambas paralelas a esa recta fija. Por tanto, existe un par de rectas no paralelas que produce un triángulo.
Así pues, las condiciones exactas de existencia son \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{excluyendo la igualdad simultánea}.} \] Esto incluye los casos en que solo una de las dos desigualdades es una igualdad. Las elecciones de rectas paralelas simplemente se descartan.
Finalmente, se obtiene toda solución posible: tras hacer coincidir su vértice \(A\) y su punto medio \(M\) con los extremos del segmento construido, sus rectas \(BC\) y \(AC\) deben pertenecer a las respectivas familias de tangentes, y \(B\) debe ser el simétrico de \(C\) respecto de \(M\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1960 · 问题 4
已知 \(h_a, h_b\)(分别为从 \(A\) 和 \(B\) 引出的高)以及从顶点 \(A\) 引出的中线 \(m_a\),作三角形 \(ABC\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] 对于非退化三角形,这些长度必须为正。
关键在于注意到:若 \(M\) 为 \(BC\) 的中点,则 \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] 其中 \(d(P,r)\) 表示点到直线的垂直距离。事实上,以 \(C\) 为中心、比为 \(2\) 的位似变换将 \(M\) 映为 \(B\),并保持直线 \(AC\) 不变。
因此,我们要寻找两条直线:一条是经过 \(M\) 且到 \(A\) 的距离为 \(p\) 的直线 \(BC\),另一条是经过 \(A\) 且到 \(M\) 的距离为 \(q\) 的直线 \(AC\)。
作法。
- 作长为 \(m\) 的线段 \(AM\)。
- 以 \(A\) 为圆心、\(p\) 为半径作圆。作出经过 \(M\) 的该圆的所有切线 \(\ell\)。
- 以 \(M\) 为圆心、\(q\) 为半径作圆。作出经过 \(A\) 的该圆的所有切线 \(t\)。
- 对每一对不平行的直线 \((\ell,t)\),令 \(C=\ell\cap t\),并作 \(C\) 关于 \(M\) 的对称点 \(B\)。
这些操作均可用直尺和圆规完成。对于上述两次作切线的操作,当给定点在圆外时,以 \(AM\) 为直径的圆与相应圆的两个交点就是切点,这是由泰勒斯定理得到的。当给定点在圆上时,唯一的切线就是过该点且垂直于 \(AM\) 的直线。
证明。 由于 \(p,q>0\),点 \(A\) 不在 \(\ell\) 上,点 \(M\) 不在 \(t\) 上。因此 \(C\ne M\),从而 \(B\ne C\),且 \(ABC\) 非退化。
由作法,\(M\) 为 \(BC\) 的中点,因此从 \(A\) 引出的中线长为 \(AM=m\)。由相切关系可得 \[ d(A,BC)=p. \] 由上述位似变换可得 \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] 因此,作出的每个三角形都恰好具有题目给定的要素。
解的存在性与临界情形。 对于任一满足条件的三角形, \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] 因此,\(p\le m\) 和 \(q\le m\) 是必要条件。
若 \(p=q=m\),则两次作切线时都只有一条切线:\(\ell\) 在 \(M\) 点垂直于 \(AM\),而 \(t\) 在 \(A\) 点垂直于 \(AM\)。它们是两条不同的平行直线,因此不存在满足条件的三角形。
反之,设 \(p\le m\) 且 \(q\le m\),其中至少一个不等式严格成立。两组切线都非空,且至少一组包含两条不同的直线。在另一组中任取一条直线并固定。这两条经过同一点的不同直线不可能都与该固定直线平行。因此,存在一对不平行的直线,能够作出一个三角形。
所以,解存在的充要条件为 \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{但排除同时取等号的情形}.} \] 这包含了仅有一个不等式取等号的情形。只需舍去平行的直线组合。
最后,所有可能的解都能由此作出:将任一满足条件的三角形的顶点 \(A\) 和中点 \(M\) 与所作线段的两个端点重合后,其直线 \(BC\) 和 \(AC\) 必定分别属于相应的切线组,而 \(B\) 必定是 \(C\) 关于 \(M\) 的对称点。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1960 · Задача 4
Постройте треугольник \(ABC\) по данным \(h_a, h_b\) (высотам из \(A\) и \(B\)) и \(m_a\) — медиане из вершины \(A\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] Для невырожденного треугольника эти длины должны быть положительными.
Основное наблюдение состоит в том, что если \(M\) — середина \(BC\), то \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] где \(d(P,r)\) обозначает расстояние от точки до прямой. Действительно, гомотетия с центром \(C\) и коэффициентом \(2\) переводит \(M\) в \(B\) и сохраняет прямую \(AC\).
Таким образом, мы ищем две прямые: \(BC\), проходящую через \(M\) на расстоянии \(p\) от \(A\), и \(AC\), проходящую через \(A\) на расстоянии \(q\) от \(M\).
Построение.
- Построим отрезок \(AM\) длины \(m\).
- Построим окружность с центром \(A\) и радиусом \(p\). Проведём все касательные \(\ell\) к ней через \(M\).
- Построим окружность с центром \(M\) и радиусом \(q\). Проведём все касательные \(t\) к ней через \(A\).
- Для каждой пары непараллельных прямых \((\ell,t)\) положим \(C=\ell\cap t\) и построим \(B\) как точку, симметричную \(C\) относительно \(M\).
Все эти построения выполняются циркулем и линейкой. В каждом из двух построений касательных, если данная точка лежит вне окружности, две точки касания находятся как пересечения окружности с диаметром \(AM\) с соответствующей окружностью, согласно теореме Фалеса об угле, опирающемся на диаметр. Если данная точка лежит на окружности, единственная касательная — это перпендикуляр к \(AM\) в этой точке.
Проверка. Поскольку \(p,q>0\), точка \(A\) не лежит на \(\ell\), а \(M\) не лежит на \(t\). Следовательно, \(C\ne M\), поэтому \(B\ne C\), и треугольник \(ABC\) невырожден.
По построению \(M\) — середина \(BC\), поэтому медиана из \(A\) имеет длину \(AM=m\). Из условия касания следует \[ d(A,BC)=p. \] Описанная выше гомотетия даёт \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] Таким образом, каждый построенный треугольник имеет в точности заданные элементы.
Условия существования и предельные случаи. В любом решении \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] Следовательно, условия \(p\le m\) и \(q\le m\) необходимы.
Если \(p=q=m\), каждое из двух построений касательных даёт только одну прямую: \(\ell\) перпендикулярна \(AM\) в точке \(M\), а \(t\) перпендикулярна \(AM\) в точке \(A\). Это различные параллельные прямые, поэтому треугольника не существует.
Обратно, предположим, что \(p\le m\) и \(q\le m\), причём хотя бы одно неравенство строгое. Оба семейства касательных непусты, и хотя бы одно семейство содержит две различные прямые. Зафиксируем любую прямую из другого семейства. Две различные прямые, проходящие через одну точку, не могут обе быть параллельны этой фиксированной прямой. Поэтому существует пара непараллельных прямых, которая даёт треугольник.
Итак, точные условия существования имеют вид \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{одновременное равенство исключается}.} \] Сюда входят случаи, когда лишь одно из двух неравенств обращается в равенство. Пары параллельных прямых просто отбрасываются.
Наконец, построение даёт все возможные решения: если совместить вершину \(A\) и середину \(M\) любого решения с концами построенного отрезка, то его прямые \(BC\) и \(AC\) должны принадлежать соответствующим семействам касательных, а \(B\) должна быть симметрична \(C\) относительно \(M\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1960 · المسألة 4
أنشئ مثلثًا \(ABC\)، إذا عُلم \(h_a, h_b\) (الارتفاعان من \(A\) و\(B\)) و\(m_a\)، المتوسط من الرأس \(A\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \[ p=h_a,\qquad q=\frac{h_b}{2},\qquad m=m_a. \] يجب أن تكون هذه الأطوال موجبة لكي يكون المثلث غير منعدم المساحة.
الملاحظة الأساسية هي أنه إذا كانت \(M\) منتصف \(BC\)، فإن \[ d(M,AC)=\frac12d(B,AC)=q, \] حيث يرمز \(d(P,r)\) إلى المسافة العمودية من نقطة إلى مستقيم. وبالفعل، فإن التحاكي الذي مركزه \(C\) ونسبته \(2\) يحوّل \(M\) إلى \(B\) ويحافظ على المستقيم \(AC\).
إذن نبحث عن مستقيمين: \(BC\)، يمر بالنقطة \(M\) ويقع على مسافة \(p\) من \(A\)، و\(AC\)، يمر بالنقطة \(A\) ويقع على مسافة \(q\) من \(M\).
الإنشاء.
- ارسم قطعة \(AM\) طولها \(m\).
- ارسم الدائرة التي مركزها \(A\) ونصف قطرها \(p\). أنشئ جميع مماساتها \(\ell\) المارة بالنقطة \(M\).
- ارسم الدائرة التي مركزها \(M\) ونصف قطرها \(q\). أنشئ جميع مماساتها \(t\) المارة بالنقطة \(A\).
- لكل زوج غير متوازٍ \((\ell,t)\)، لتكن \(C=\ell\cap t\)، وأنشئ \(B\) بوصفها نظيرة \(C\) بالنسبة إلى \(M\).
هذه عمليات تُجرى بالمسطرة والفرجار. في كل من إنشاءَي المماس، عندما تكون النقطة المعطاة خارج الدائرة، تحدد الدائرة التي قطرها \(AM\) نقطتي التماس بتقاطعها مع الدائرة المعنية، باستخدام مبرهنة طاليس. وعندما تقع النقطة المعطاة على الدائرة، يكون المماس الوحيد هو العمود على \(AM\) عند تلك النقطة.
التحقق. بما أن \(p,q>0\)، فإن النقطة \(A\) لا تقع على \(\ell\)، و\(M\) لا تقع على \(t\). وبالتالي \(C\ne M\)، ومن ثم \(B\ne C\)، ويكون \(ABC\) غير منعدم المساحة.
بحسب الإنشاء، \(M\) هي منتصف \(BC\)، ولذلك فإن طول المتوسط من \(A\) هو \(AM=m\). ومن التماس نحصل على \[ d(A,BC)=p. \] ويعطي التحاكي الموصوف أعلاه \[ d(B,AC)=2d(M,t)=2q=h_b. \] إذن كل مثلث يُنشأ بهذه الطريقة يحقق المعطيات المحددة تمامًا.
الوجود والحالات الحدية. في أي حل، \[ p=d(A,BC)\le AM=m,\qquad q=d(M,AC)\le AM=m. \] ومن ثم فإن \(p\le m\) و\(q\le m\) شرطان ضروريان.
إذا كان \(p=q=m\)، فإن كلًا من إنشاءَي المماس يعطي مستقيمًا واحدًا فقط: يكون \(\ell\) عموديًا على \(AM\) عند \(M\)، بينما يكون \(t\) عموديًا على \(AM\) عند \(A\). وهما مستقيمان متمايزان متوازيان، لذا لا يوجد مثلث.
وعكسًا، افترض أن \(p\le m\) و\(q\le m\)، مع كون إحدى المتباينتين على الأقل صارمة. كلتا مجموعتي المماسات غير خالية، وتحتوي إحداهما على الأقل على مستقيمين متمايزين. ثبّت أي مستقيم من المجموعة الأخرى. لا يمكن أن يكون المستقيمان المتمايزان، اللذان يمران بالنقطة نفسها، كلاهما موازيًا لذلك المستقيم الثابت. ومن ثم يوجد زوج غير متوازٍ ينتج عنه مثلث.
إذن شروط الوجود الدقيقة هي \[ \boxed{m_a\ge h_a,\qquad 2m_a\ge h_b, \qquad\text{مع استبعاد تحقق المساواتين معًا}.} \] وهذا يشمل الحالات التي تتحقق فيها المساواة في إحدى المتباينتين وحدها. أما الاختيارات المتوازية فتُستبعد ببساطة.
وأخيرًا، نحصل على كل حل ممكن: فبعد مطابقة رأسه \(A\) ومنتصفه \(M\) مع طرفي القطعة المنشأة، لا بد أن ينتمي مستقيمه \(BC\) إلى مجموعة المماسات الأولى، ومستقيمه \(AC\) إلى مجموعة المماسات الثانية، وأن تكون \(B\) نظيرة \(C\) بالنسبة إلى \(M\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).