IMO 1960 · Problem 6
Consider a cone of revolution with an inscribed sphere tangent to the base of the cone. A cylinder is circumscribed about this sphere so that one of its bases lies in the base of the cone. Let \(V_1\) be the volume of the cone and \(V_2\) the volume of the cylinder.
(a) Prove that \(V_1 \ne V_2\).
(b) Find the smallest number \(k\) for which \(V_1 = kV_2\), for this case, construct the angle subtended by a diameter of the base of the cone at the vertex of the cone.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
The corresponding vertex angle is \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] A straightedge-and-compass construction is given below.
Solution
Let the cone have base radius \(R\), height \(h\), and slant height \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] and let the inscribed sphere have radius \(r\). All these lengths are positive, since a degenerate cone cannot contain a sphere of positive radius.
An axial section of the cone is an isosceles triangle with base \(2R\), height \(h\), equal sides \(\ell\), and incircle radius \(r\). Calculating its area by joining the incenter to its vertices gives \[ Rh=r(R+\ell). \] Consequently, \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] because \(\ell>R\). Rearranging the area identity and then squaring yields \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] After cancellation, \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
The cylinder circumscribed about the sphere has radius \(r\) and height \(2r\). Therefore \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] and hence \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] The denominator is positive because \(h>2r\). Thus \(V_1>V_2\), proving (a).
Equality in this bound holds exactly when \(h=4r\), in which case \(R=\sqrt2\,r\). Conversely, a cone with height \(4r\) and base radius \(\sqrt2\,r\) has slant height \(3\sqrt2\,r\), so its inradius is \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r. \] Thus equality is attained, proving that the smallest value in (b) is \(k=4/3\).
To determine the angle, consider an axial section in the equality case. Let \(S\) be its vertex, \(I\) its incenter, and \(T\) a point where its incircle touches an equal side. The center \(I\) lies a distance \(r\) above the base, so \[ SI=h-r=3r. \] Since \(IT\perp ST\), the half-angle \(\theta=\angle IST\) satisfies \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] The angle subtended by a base diameter is therefore \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
To construct this angle with straightedge and compass, choose any length \(u>0\):
- Construct a segment \(SI=3u\).
- Draw the circle centered at \(I\) with radius \(u\), and the circle with diameter \(SI\). Let their two intersection points be \(T_1,T_2\).
- Draw the rays \(ST_1\) and \(ST_2\).
By Thales’ theorem, \(IT_j\perp ST_j\), so these rays are tangents to the first circle. They are symmetric about \(SI\), and each makes an angle with \(SI\) whose sine is \(u/(3u)=1/3\). Hence \(\angle T_1ST_2\) is precisely the required angle.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1960 · Aufgabe 6
Betrachte einen Rotationskegel mit einer einbeschriebenen Kugel, die die Grundfläche des Kegels berührt. Dieser Kugel wird ein Zylinder so umbeschrieben, dass eine seiner Grundflächen in der Grundfläche des Kegels liegt. Sei \(V_1\) das Volumen des Kegels und \(V_2\) das Volumen des Zylinders.
(a) Beweise, dass \(V_1 \ne V_2\).
(b) Bestimme die kleinste Zahl \(k\), für die \(V_1 = kV_2\) gilt, und konstruiere für diesen Fall den Winkel, unter dem ein Durchmesser der Grundfläche des Kegels von der Kegelspitze aus erscheint.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
Der zugehörige Spitzenwinkel ist \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] Eine Konstruktion mit Zirkel und Lineal wird unten angegeben.
Lösung
Der Kegel habe den Grundkreisradius \(R\), die Höhe \(h\) und die Mantellinie der Länge \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] und die einbeschriebene Kugel habe den Radius \(r\). Alle diese Längen sind positiv, da ein entarteter Kegel keine Kugel mit positivem Radius enthalten kann.
Ein Achsenschnitt des Kegels ist ein gleichschenkliges Dreieck mit der Grundseite \(2R\), der Höhe \(h\), den Schenkeln \(\ell\) und dem Inkreisradius \(r\). Berechnen wir seinen Flächeninhalt, indem wir den Inkreismittelpunkt mit den Eckpunkten verbinden, so erhalten wir \[ Rh=r(R+\ell). \] Folglich gilt \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] da \(\ell>R\). Umstellen der Flächengleichung und anschließendes Quadrieren ergibt \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] Nach Kürzen folgt \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
Der der Kugel umbeschriebene Zylinder hat den Radius \(r\) und die Höhe \(2r\). Daher gilt \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] und somit \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] Der Nenner ist positiv, da \(h>2r\). Somit ist \(V_1>V_2\), womit (a) bewiesen ist.
Gleichheit in dieser Abschätzung gilt genau dann, wenn \(h=4r\), und in diesem Fall ist \(R=\sqrt2\,r\). Umgekehrt hat ein Kegel mit der Höhe \(4r\) und dem Grundkreisradius \(\sqrt2\,r\) eine Mantellinie der Länge \(3\sqrt2\,r\), sodass sein Inkugelradius \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r \] beträgt. Gleichheit wird also erreicht, womit bewiesen ist, dass der kleinste Wert in (b) gleich \(k=4/3\) ist.
Um den Winkel zu bestimmen, betrachten wir einen Achsenschnitt im Gleichheitsfall. Sei \(S\) seine Spitze, \(I\) sein Inkreismittelpunkt und \(T\) ein Berührpunkt des Inkreises mit einem Schenkel. Der Mittelpunkt \(I\) liegt im Abstand \(r\) über der Grundseite, also gilt \[ SI=h-r=3r. \] Wegen \(IT\perp ST\) erfüllt der halbe Spitzenwinkel \(\theta=\angle IST\) die Gleichung \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] Der Winkel, unter dem ein Durchmesser der Grundfläche erscheint, ist daher \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
Um diesen Winkel mit Zirkel und Lineal zu konstruieren, wähle eine beliebige Länge \(u>0\):
- Konstruiere eine Strecke \(SI=3u\).
- Zeichne den Kreis mit Mittelpunkt \(I\) und Radius \(u\) sowie den Kreis mit Durchmesser \(SI\). Bezeichne ihre beiden Schnittpunkte mit \(T_1,T_2\).
- Zeichne die Strahlen \(ST_1\) und \(ST_2\).
Nach dem Satz des Thales gilt \(IT_j\perp ST_j\), sodass diese Strahlen Tangenten an den ersten Kreis sind. Sie liegen symmetrisch zu \(SI\), und jeder von ihnen bildet mit \(SI\) einen Winkel, dessen Sinus \(u/(3u)=1/3\) ist. Daher ist \(\angle T_1ST_2\) genau der gesuchte Winkel.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1960 · Soru 6
İçine, tabanına teğet bir küre çizilmiş bir dönel koniyi ele alalım. Bu kürenin dışına, tabanlarından biri koninin tabanında bulunacak şekilde bir silindir çizilmiştir. Koninin hacmi \(V_1\), silindirin hacmi \(V_2\) olsun.
(a) \(V_1 \ne V_2\) olduğunu kanıtlayınız.
(b) \(V_1 = kV_2\) eşitliğini sağlayan en küçük \(k\) sayısını bulunuz ve bu durum için koninin tabanının bir çapının koninin tepe noktasından görüldüğü açıyı inşa ediniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
Buna karşılık gelen tepe açısı \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79} \] şeklindedir. Cetvel ve pergel ile bir inşa aşağıda verilmiştir.
Çözüm
Koninin taban yarıçapı \(R\), yüksekliği \(h\) ve ana doğru uzunluğu \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] içine çizilen kürenin yarıçapı ise \(r\) olsun. Dejenere bir koni pozitif yarıçaplı bir küre içeremeyeceğinden, bu uzunlukların tümü pozitiftir.
Koninin ekseninden geçen bir düzlemle kesiti, tabanı \(2R\), yüksekliği \(h\), eş kenarları \(\ell\) ve iç teğet çemberinin yarıçapı \(r\) olan bir ikizkenar üçgendir. İç teğet çemberinin merkezini köşelere birleştirerek alanını hesaplayınca \[ Rh=r(R+\ell) \] elde edilir. Dolayısıyla \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] çünkü \(\ell>R\). Alan özdeşliğini düzenleyip ardından karesini alınca \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2 \] buluruz. Sadeleştirmeden sonra \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r} \] elde edilir.
Kürenin dışına çizilen silindirin yarıçapı \(r\), yüksekliği \(2r\)'dir. Bu nedenle \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] ve dolayısıyla \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] \(h>2r\) olduğundan payda pozitiftir. Böylece \(V_1>V_2\) olur ve (a) kanıtlanır.
Bu sınırda eşitlik ancak ve ancak \(h=4r\) olduğunda sağlanır; bu durumda \(R=\sqrt2\,r\) olur. Tersine, yüksekliği \(4r\) ve taban yarıçapı \(\sqrt2\,r\) olan bir koninin ana doğru uzunluğu \(3\sqrt2\,r\) olduğundan, içine çizilen kürenin yarıçapı \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r \] olur. Dolayısıyla eşitlik sağlanabilir; bu da (b) kısmındaki en küçük değerin \(k=4/3\) olduğunu kanıtlar.
Açıyı belirlemek için eşitlik durumunda eksenden geçen bir düzlemle alınan kesiti ele alalım. Bu kesitin tepe noktası \(S\), iç teğet çemberinin merkezi \(I\) ve iç teğet çemberinin eş kenarlardan birine değdiği nokta \(T\) olsun. \(I\) merkezi tabanın \(r\) kadar yukarısında bulunduğundan \[ SI=h-r=3r. \] \(IT\perp ST\) olduğundan, yarım açı \(\theta=\angle IST\), \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13 \] eşitliğini sağlar. Dolayısıyla tabanın bir çapının tepe noktasından görüldüğü açı \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79 \] olur.
Bu açıyı cetvel ve pergel ile inşa etmek için herhangi bir \(u>0\) uzunluğu seçiniz:
- \(SI=3u\) doğru parçasını inşa ediniz.
- Merkezi \(I\), yarıçapı \(u\) olan çemberi ve çapı \(SI\) olan çemberi çiziniz. Bunların iki kesişim noktası \(T_1,T_2\) olsun.
- \(ST_1\) ve \(ST_2\) ışınlarını çiziniz.
Thales teoremine göre \(IT_j\perp ST_j\) olduğundan, bu ışınlar ilk çembere teğettir. \(SI\)'ye göre simetriktirler ve her birinin \(SI\) ile yaptığı açının sinüsü \(u/(3u)=1/3\)'tür. Dolayısıyla \(\angle T_1ST_2\), tam olarak aranan açıdır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1960 · Problema 6
Consideremos un cono de revolución con una esfera inscrita tangente a la base del cono. Se circunscribe un cilindro a esta esfera de modo que una de sus bases esté contenida en la base del cono. Sean \(V_1\) el volumen del cono y \(V_2\) el volumen del cilindro.
(a) Demostrar que \(V_1 \ne V_2\).
(b) Hallar el menor número \(k\) para el cual \(V_1 = kV_2\); para este caso, construir el ángulo bajo el cual se ve un diámetro de la base del cono desde el vértice del cono.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
El ángulo correspondiente en el vértice es \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] A continuación se da una construcción con regla y compás.
Solución
Sean \(R\) el radio de la base del cono, \(h\) su altura y \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] la longitud de su generatriz, y sea \(r\) el radio de la esfera inscrita. Todas estas longitudes son positivas, pues un cono degenerado no puede contener una esfera de radio positivo.
Una sección axial del cono es un triángulo isósceles de base \(2R\), altura \(h\), lados iguales \(\ell\) y radio de la circunferencia inscrita \(r\). Al calcular su área uniendo el incentro con sus vértices, obtenemos \[ Rh=r(R+\ell). \] En consecuencia, \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] porque \(\ell>R\). Reordenando la identidad del área y elevando después al cuadrado, obtenemos \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] Tras simplificar, \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
El cilindro circunscrito a la esfera tiene radio \(r\) y altura \(2r\). Por tanto, \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] y, en consecuencia, \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] El denominador es positivo porque \(h>2r\). Así pues, \(V_1>V_2\), lo que demuestra (a).
La igualdad en esta cota se cumple exactamente cuando \(h=4r\), en cuyo caso \(R=\sqrt2\,r\). Recíprocamente, un cono de altura \(4r\) y radio de la base \(\sqrt2\,r\) tiene una generatriz de longitud \(3\sqrt2\,r\), por lo que el radio de su esfera inscrita es \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r. \] Por tanto, la igualdad se alcanza, lo que demuestra que el menor valor en (b) es \(k=4/3\).
Para determinar el ángulo, consideremos una sección axial en el caso de igualdad. Sean \(S\) su vértice, \(I\) su incentro y \(T\) un punto en el que su circunferencia inscrita es tangente a uno de los lados iguales. El centro \(I\) está a una distancia \(r\) por encima de la base, de modo que \[ SI=h-r=3r. \] Como \(IT\perp ST\), el semiángulo \(\theta=\angle IST\) satisface \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] Por tanto, el ángulo bajo el cual se ve un diámetro de la base es \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
Para construir este ángulo con regla y compás, elijamos una longitud cualquiera \(u>0\):
- Construir un segmento \(SI=3u\).
- Trazar la circunferencia de centro \(I\) y radio \(u\), y la circunferencia de diámetro \(SI\). Sean \(T_1,T_2\) sus dos puntos de intersección.
- Trazar las semirrectas \(ST_1\) y \(ST_2\).
Por el teorema de Tales, \(IT_j\perp ST_j\), por lo que estas semirrectas son tangentes a la primera circunferencia. Son simétricas respecto de \(SI\), y cada una forma con \(SI\) un ángulo cuyo seno es \(u/(3u)=1/3\). Por tanto, \(\angle T_1ST_2\) es precisamente el ángulo buscado.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1960 · 问题 6
一个旋转圆锥有一个与其底面相切的内切球。作该球的外切圆柱,使圆柱的一个底面位于圆锥的底面内。设圆锥的体积为 \(V_1\),圆柱的体积为 \(V_2\)。
(a) 证明 \(V_1 \ne V_2\)。
(b) 求使 \(V_1 = kV_2\) 成立的最小数 \(k\),并在此情形下,作出圆锥底面的一条直径在圆锥顶点处所张的角。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
相应的顶角为 \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] 下面给出尺规作法。
解答
设圆锥的底面半径为 \(R\),高为 \(h\),母线长为 \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] 内切球的半径为 \(r\)。这些长度都为正,因为退化的圆锥不可能容纳半径为正的球。
圆锥的轴截面是一个等腰三角形,其底边长为 \(2R\),高为 \(h\),两腰长为 \(\ell\),内切圆半径为 \(r\)。连接内心与各顶点,由面积计算得到 \[ Rh=r(R+\ell). \] 因此, \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] 因为 \(\ell>R\)。将面积恒等式整理后再平方,得到 \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] 消去相同项后,得到 \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
该球的外切圆柱的半径为 \(r\),高为 \(2r\)。因此 \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] 从而 \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] 由于 \(h>2r\),分母为正。因此 \(V_1>V_2\),(a) 得证。
上述不等式当且仅当 \(h=4r\) 时取等号,此时 \(R=\sqrt2\,r\)。反之,高为 \(4r\)、底面半径为 \(\sqrt2\,r\) 的圆锥,其母线长为 \(3\sqrt2\,r\),故其内切球半径为 \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r. \] 因此,等号能够取到,从而证明了 (b) 中的最小值为 \(k=4/3\)。
为确定所求角,考虑取等号时的轴截面。设其顶点为 \(S\),内心为 \(I\),内切圆与一条腰的切点为 \(T\)。圆心 \(I\) 位于底边上方,距底边为 \(r\),故 \[ SI=h-r=3r. \] 由于 \(IT\perp ST\),半顶角 \(\theta=\angle IST\) 满足 \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] 因此,底面直径所张的角为 \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
要用直尺和圆规作出此角,任取长度 \(u>0\):
- 作线段 \(SI=3u\)。
- 以 \(I\) 为圆心、\(u\) 为半径作圆,并作以 \(SI\) 为直径的圆。设两圆的两个交点为 \(T_1,T_2\)。
- 作射线 \(ST_1\) 和 \(ST_2\)。
由泰勒斯定理,\(IT_j\perp ST_j\),因此这两条射线与第一个圆相切。它们关于 \(SI\) 对称,且各自与 \(SI\) 所成角的正弦均为 \(u/(3u)=1/3\)。因此,\(\angle T_1ST_2\) 恰好为所求角。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1960 · Задача 6
Рассмотрим конус вращения с вписанным в него шаром, касающимся основания конуса. Около этого шара описан цилиндр так, что одно из его оснований лежит в основании конуса. Пусть \(V_1\) — объём конуса, а \(V_2\) — объём цилиндра.
(a) Докажите, что \(V_1 \ne V_2\).
(b) Найдите наименьшее число \(k\), при котором \(V_1 = kV_2\), и для этого случая постройте угол, под которым из вершины конуса виден диаметр его основания.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
Соответствующий угол при вершине равен \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] Ниже приведено построение циркулем и линейкой.
Решение
Пусть конус имеет радиус основания \(R\), высоту \(h\) и образующую \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] а радиус вписанного шара равен \(r\). Все эти длины положительны, поскольку вырожденный конус не может содержать шар положительного радиуса.
Осевое сечение конуса — равнобедренный треугольник с основанием \(2R\), высотой \(h\), боковыми сторонами \(\ell\) и радиусом вписанной окружности \(r\). Вычисляя его площадь после соединения центра вписанной окружности с вершинами, получаем \[ Rh=r(R+\ell). \] Следовательно, \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] поскольку \(\ell>R\). Преобразуя равенство для площади и затем возводя в квадрат, получаем \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] После сокращения \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
Цилиндр, описанный около шара, имеет радиус \(r\) и высоту \(2r\). Поэтому \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] и, следовательно, \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] Знаменатель положителен, поскольку \(h>2r\). Таким образом, \(V_1>V_2\), что доказывает (a).
Равенство в этой оценке достигается тогда и только тогда, когда \(h=4r\), и в этом случае \(R=\sqrt2\,r\). Обратно, конус с высотой \(4r\) и радиусом основания \(\sqrt2\,r\) имеет образующую \(3\sqrt2\,r\), поэтому радиус вписанного в него шара равен \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r. \] Таким образом, равенство достигается, что доказывает: наименьшее значение в пункте (b) равно \(k=4/3\).
Чтобы определить угол, рассмотрим осевое сечение в случае равенства. Пусть \(S\) — его вершина, \(I\) — центр вписанной окружности, а \(T\) — точка касания этой окружности с боковой стороной. Центр \(I\) находится на расстоянии \(r\) над основанием, поэтому \[ SI=h-r=3r. \] Поскольку \(IT\perp ST\), половина угла при вершине \(\theta=\angle IST\) удовлетворяет равенству \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] Следовательно, угол, под которым виден диаметр основания, равен \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
Чтобы построить этот угол циркулем и линейкой, выберем произвольную длину \(u>0\):
- Построим отрезок \(SI=3u\).
- Построим окружность с центром \(I\) и радиусом \(u\), а также окружность с диаметром \(SI\). Обозначим две точки их пересечения через \(T_1,T_2\).
- Проведём лучи \(ST_1\) и \(ST_2\).
По теореме Фалеса об угле, опирающемся на диаметр, \(IT_j\perp ST_j\), поэтому эти лучи касаются первой окружности. Они симметричны относительно \(SI\), и каждый образует с \(SI\) угол, синус которого равен \(u/(3u)=1/3\). Следовательно, \(\angle T_1ST_2\) — в точности искомый угол.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1960 · المسألة 6
اعتبر مخروطًا دورانيًا بداخله كرة مماسة لسطحه الجانبي ولقاعدته. أُحيطت هذه الكرة بأسطوانة مماسة لها بحيث تقع إحدى قاعدتي الأسطوانة في قاعدة المخروط. ليكن \(V_1\) حجم المخروط و\(V_2\) حجم الأسطوانة.
(a) أثبت أن \(V_1 \ne V_2\).
(b) أوجد أصغر عدد \(k\) يحقق \(V_1 = kV_2\)، وفي هذه الحالة، أنشئ الزاوية التي يُرى بها قطر قاعدة المخروط من رأس المخروط.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k_{\min}=\frac43}. \]
زاوية الرأس الموافقة هي \[ \boxed{2\arcsin\frac13=\arccos\frac79}. \] يرد أدناه إنشاء بالمسطرة والفرجار.
الحل
ليكن نصف قطر قاعدة المخروط \(R\)، وارتفاعه \(h\)، وطول راسمه \[ \ell=\sqrt{R^2+h^2}, \] وليكن نصف قطر الكرة الداخلية \(r\). جميع هذه الأطوال موجبة، إذ لا يمكن لمخروط منعدم الحجم أن يحتوي على كرة ذات نصف قطر موجب.
المقطع المحوري للمخروط مثلث متساوي الساقين قاعدته \(2R\)، وارتفاعه \(h\)، وساقاه \(\ell\)، ونصف قطر دائرته الداخلية \(r\). وبحساب مساحته عن طريق وصل مركز الدائرة الداخلية برؤوسه نحصل على \[ Rh=r(R+\ell). \] وبالتالي، \[ \frac hr=1+\frac{\ell}{R}>2, \] لأن \(\ell>R\). وبإعادة ترتيب متطابقة المساحة ثم التربيع نحصل على \[ r\ell=R(h-r), \qquad r^2(R^2+h^2)=R^2(h-r)^2. \] وبعد الاختزال، \[ R^2=\frac{r^2h}{h-2r}. \]
الأسطوانة المحيطة بالكرة نصف قطرها \(r\) وارتفاعها \(2r\). لذلك \[ V_1=\frac{\pi R^2h}{3}, \qquad V_2=2\pi r^3, \] ومن ثم \[ \frac{V_1}{V_2} =\frac{h^2}{6r(h-2r)} =\frac43+\frac{(h-4r)^2}{6r(h-2r)} \ge \frac43. \] المقام موجب لأن \(h>2r\). إذن \(V_1>V_2\)، وهذا يثبت (a).
تتحقق المساواة في هذا الحد إذا وفقط إذا كان \(h=4r\)، وفي هذه الحالة \(R=\sqrt2\,r\). وعكسًا، فإن المخروط الذي ارتفاعه \(4r\) ونصف قطر قاعدته \(\sqrt2\,r\) يكون طول راسمه \(3\sqrt2\,r\)، لذا فإن نصف قطر كرته الداخلية هو \[ \frac{Rh}{R+\ell} =\frac{(\sqrt2\,r)(4r)}{\sqrt2\,r+3\sqrt2\,r} =r. \] إذن تتحقق المساواة، مما يثبت أن أصغر قيمة في (b) هي \(k=4/3\).
لتحديد الزاوية، اعتبر مقطعًا محوريًا في حالة المساواة. ليكن \(S\) رأسه، و\(I\) مركز دائرته الداخلية، و\(T\) نقطة تماس دائرته الداخلية مع إحدى ساقيه. يقع المركز \(I\) على مسافة \(r\) فوق القاعدة، لذا \[ SI=h-r=3r. \] بما أن \(IT\perp ST\)، فإن نصف الزاوية \(\theta=\angle IST\) يحقق \[ \sin\theta=\frac{IT}{SI}=\frac13. \] وعليه، فإن الزاوية التي يُرى بها قطر القاعدة هي \[ 2\theta=2\arcsin\frac13=\arccos\frac79. \]
لإنشاء هذه الزاوية بالمسطرة والفرجار، اختر أي طول \(u>0\):
- أنشئ قطعة \(SI=3u\).
- ارسم الدائرة التي مركزها \(I\) ونصف قطرها \(u\)، والدائرة التي قطرها \(SI\). لتكن نقطتا تقاطعهما \(T_1,T_2\).
- ارسم الشعاعين \(ST_1\) و\(ST_2\).
بمبرهنة طاليس، \(IT_j\perp ST_j\)، لذا فإن هذين الشعاعين مماسان للدائرة الأولى. وهما متناظران بالنسبة إلى \(SI\)، ويصنع كل منهما مع \(SI\) زاوية جيبها \(u/(3u)=1/3\). ومن ثم فإن \(\angle T_1ST_2\) هي الزاوية المطلوبة تمامًا.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).