IMO 1960 · Problem 7
An isosceles trapezoid with bases \(a\) and \(c\) and altitude \(h\) is given.
(a) On the axis of symmetry of this trapezoid, find all points \(P\) such that both legs of the trapezoid subtend right angles at \(P\).
(b) Calculate the distance of \(P\) from either base.
(c) Determine under what conditions such points \(P\) actually exist. (Discuss various cases that might arise.)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Let \(M,N\) be the midpoints of the bases of lengths \(a,c\), respectively. The required points are precisely the intersections of the symmetry axis with the circle having either leg as diameter.
Their number is \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
When they exist, they lie strictly between \(M\) and \(N\). Writing \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] their distances from the bases of lengths \(a\) and \(c\), respectively, are \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{and}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] When \(h^2=ac\), these describe the same point, the midpoint of \(MN\).
Solution
The given trapezoid is nondegenerate, so \(a,c,h>0\). Label its vertices consecutively \(A,B,C,D\), with \(AB=a\) and \(CD=c\).
First, a geometric construction follows from Thales’ theorem: draw the circle with diameter \(AD\) and intersect it with the symmetry axis. Every intersection \(P\) satisfies \(\angle APD=90^\circ\). Reflection in the symmetry axis fixes \(P\) and sends \(A,D\) to \(B,C\), respectively, so it also gives \(\angle BPC=90^\circ\). Conversely, every required point belongs to that circle. Thus this construction finds exactly all the required points.
To calculate their positions and determine when they exist, choose coordinates \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] The symmetry axis is the \(y\)-axis. Write an arbitrary point on the entire axis as \(P=(0,t)\), where \(t\in\mathbb R\).
Because \(a,c>0\), \(P\) cannot coincide with any vertex, so all angles under consideration are defined. Moreover, \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] Consequently, both angles are right angles if and only if \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] Completing the square gives \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
This proves the complete classification:
- If \(h^2<ac\), the right-hand side is negative, so no required point exists.
- If \(h^2=ac\), the unique solution is \(t=h/2\), the midpoint of \(MN\). The circle in the construction is tangent to the symmetry axis there.
- If \(h^2>ac\), there are exactly two solutions, \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] situated symmetrically about the midpoint of \(MN\).
Whenever solutions exist, positivity of \(ac\) implies \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] Hence \(0<t_\pm<h\): all required points lie strictly inside the trapezoid. Their perpendicular feet on the bases are \(M\) and \(N\), so their distances from those bases are \(t_\pm\) and \(h-t_\pm\), yielding the stated formulas.
No ordering of \(a,c\) was assumed. If the rectangular case \(a=c\) is admitted, the same result gives two points when \(h>a\), one when \(h=a\) (the center of the square), and none when \(h<a\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1960 · Aufgabe 7
Gegeben ist ein gleichschenkliges Trapez mit den Grundseiten \(a\) und \(c\) und der Höhe \(h\).
(a) Bestimme auf der Symmetrieachse dieses Trapezes alle Punkte \(P\), sodass beide Schenkel des Trapezes von \(P\) aus unter rechten Winkeln erscheinen.
(b) Berechne den Abstand von \(P\) zu jeder der beiden Grundseiten.
(c) Bestimme, unter welchen Bedingungen solche Punkte \(P\) tatsächlich existieren. (Untersuche die verschiedenen Fälle, die auftreten können.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Seien \(M,N\) die Mittelpunkte der Grundseiten der Längen \(a,c\) in dieser Reihenfolge. Die gesuchten Punkte sind genau die Schnittpunkte der Symmetrieachse mit dem Kreis, der einen der beiden Schenkel als Durchmesser hat.
Ihre Anzahl ist \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
Wenn sie existieren, liegen sie strikt zwischen \(M\) und \(N\). Setzen wir \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] so sind ihre Abstände von den Grundseiten der Längen \(a\) bzw. \(c\) \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{und}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] Für \(h^2=ac\) beschreiben diese denselben Punkt, den Mittelpunkt von \(MN\).
Lösung
Das gegebene Trapez ist nicht entartet, also gilt \(a,c,h>0\). Wir bezeichnen seine Eckpunkte der Reihe nach mit \(A,B,C,D\), wobei \(AB=a\) und \(CD=c\).
Zunächst ergibt sich aus dem Satz des Thales eine geometrische Konstruktion: Zeichne den Kreis mit Durchmesser \(AD\) und schneide ihn mit der Symmetrieachse. Jeder Schnittpunkt \(P\) erfüllt \(\angle APD=90^\circ\). Die Spiegelung an der Symmetrieachse lässt \(P\) fest und bildet \(A,D\) auf \(B,C\) ab, sodass auch \(\angle BPC=90^\circ\) gilt. Umgekehrt liegt jeder gesuchte Punkt auf diesem Kreis. Somit liefert diese Konstruktion genau alle gesuchten Punkte.
Um ihre Lage zu berechnen und zu bestimmen, wann sie existieren, wählen wir die Koordinaten \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] Die Symmetrieachse ist die \(y\)-Achse. Wir schreiben einen beliebigen Punkt auf der gesamten Achse als \(P=(0,t)\), wobei \(t\in\mathbb R\).
Wegen \(a,c>0\) kann \(P\) mit keinem Eckpunkt zusammenfallen, sodass alle betrachteten Winkel definiert sind. Außerdem gilt \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] Folglich sind beide Winkel genau dann rechte Winkel, wenn \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] Quadratische Ergänzung ergibt \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
Damit ist die vollständige Fallunterscheidung bewiesen:
- Ist \(h^2<ac\), so ist die rechte Seite negativ, sodass kein gesuchter Punkt existiert.
- Ist \(h^2=ac\), so ist die einzige Lösung \(t=h/2\), der Mittelpunkt von \(MN\). Der Kreis aus der Konstruktion berührt dort die Symmetrieachse.
- Ist \(h^2>ac\), so gibt es genau zwei Lösungen, \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] die symmetrisch zum Mittelpunkt von \(MN\) liegen.
Wann immer Lösungen existieren, folgt aus der Positivität von \(ac\), dass \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] Daher ist \(0<t_\pm<h\): Alle gesuchten Punkte liegen strikt im Inneren des Trapezes. Ihre Lotfußpunkte auf den Grundseiten sind \(M\) und \(N\), sodass ihre Abstände von diesen Grundseiten \(t_\pm\) und \(h-t_\pm\) betragen, was die angegebenen Formeln liefert.
Es wurde keine Größenreihenfolge von \(a,c\) vorausgesetzt. Lässt man den rechteckigen Fall \(a=c\) zu, so liefert dasselbe Ergebnis zwei Punkte für \(h>a\), einen für \(h=a\) (den Mittelpunkt des Quadrats) und keinen für \(h<a\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1960 · Soru 7
Taban uzunlukları \(a\) ve \(c\), yüksekliği \(h\) olan bir ikizkenar yamuk verilmiştir.
(a) Bu yamuğun simetri ekseni üzerinde, yamuğun her iki yan kenarının da dik açı altında görüldüğü tüm \(P\) noktalarını bulunuz.
(b) \(P\)'nin her bir tabana uzaklığını hesaplayınız.
(c) Böyle \(P\) noktalarının hangi koşullar altında var olduğunu belirleyiniz. (Ortaya çıkabilecek farklı durumları tartışınız.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Uzunlukları sırasıyla \(a,c\) olan tabanların orta noktaları \(M,N\) olsun. Aranan noktalar, simetri ekseninin, yan kenarlardan herhangi birini çap kabul eden çemberle kesişim noktalarının tam olarak tümüdür.
Bu noktaların sayısı \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac \end{cases} \] şeklindedir.
Var olduklarında bu noktalar, \(M\) ile \(N\) arasında, uç noktalardan farklı konumlarda bulunur. \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] olarak yazarsak, uzunlukları \(a\) ve \(c\) olan tabanlara uzaklıkları sırasıyla \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{ve}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right)} \] olur. \(h^2=ac\) olduğunda bunlar aynı noktayı, \(MN\)'nin orta noktasını belirtir.
Çözüm
Verilen yamuk dejenere olmadığından \(a,c,h>0\). Köşelerini, \(AB=a\) ve \(CD=c\) olacak şekilde sırasıyla \(A,B,C,D\) ile adlandıralım.
İlk olarak, Thales teoreminden geometrik bir inşa elde edilir: çapı \(AD\) olan çemberi çizip simetri ekseniyle kesiştiriniz. Her \(P\) kesişim noktası \(\angle APD=90^\circ\) koşulunu sağlar. Simetri eksenine göre yansıma, \(P\)'yi sabit bırakır ve \(A,D\) noktalarını sırasıyla \(B,C\) noktalarına götürür; dolayısıyla \(\angle BPC=90^\circ\) eşitliğini de verir. Tersine, aranan her nokta bu çembere aittir. Böylece bu inşa, aranan noktaların tam olarak tümünü verir.
Konumlarını hesaplamak ve hangi koşullarda var olduklarını belirlemek için koordinatları \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right) \] olarak seçelim. Simetri ekseni \(y\) eksenidir. Eksenin tamamı üzerinde keyfî bir noktayı, \(t\in\mathbb R\) olmak üzere \(P=(0,t)\) olarak yazalım.
\(a,c>0\) olduğundan \(P\), hiçbir köşeyle çakışamaz; dolayısıyla ele alınan tüm açılar tanımlıdır. Ayrıca \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] Bu nedenle her iki açının da dik olması için gerek ve yeter koşul \[ t(h-t)=\frac{ac}{4} \] olmasıdır. Kareye tamamlayınca \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4} \] elde edilir.
Bu, tüm durumları kapsayan şu sınıflandırmayı kanıtlar:
- \(h^2<ac\) ise sağ taraf negatiftir; dolayısıyla aranan özellikte bir nokta yoktur.
- \(h^2=ac\) ise tek çözüm \(t=h/2\), yani \(MN\)'nin orta noktasıdır. İnşadaki çember, simetri eksenine bu noktada teğettir.
- \(h^2>ac\) ise tam olarak iki çözüm vardır: \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] ve bu çözümler \(MN\)'nin orta noktasına göre simetrik konumlardadır.
Çözümlerin var olduğu her durumda, \(ac\)'nin pozitifliğinden \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h \] elde edilir. Dolayısıyla \(0<t_\pm<h\): aranan tüm noktalar yamuğun kesin olarak iç bölgesinde bulunur. Bu noktalardan tabanlara indirilen dikmelerin ayakları \(M\) ve \(N\) olduğundan, bu tabanlara uzaklıkları \(t_\pm\) ve \(h-t_\pm\) olur; buradan belirtilen formüller elde edilir.
\(a,c\) için herhangi bir sıralama varsayılmamıştır. Dikdörtgen durumu \(a=c\) kabul edilirse, aynı sonuç \(h>a\) olduğunda iki nokta, \(h=a\) olduğunda bir nokta (karenin merkezi) ve \(h<a\) olduğunda hiçbir nokta olmadığını verir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1960 · Problema 7
Se da un trapecio isósceles de bases \(a\) y \(c\) y altura \(h\).
(a) Hallar todos los puntos \(P\) del eje de simetría de este trapecio desde los cuales ambos lados no paralelos del trapecio se vean bajo ángulos rectos.
(b) Calcular la distancia de \(P\) a cada una de las bases.
(c) Determinar en qué condiciones existen tales puntos \(P\). (Discutir los distintos casos que puedan presentarse.)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sean \(M,N\) los puntos medios de las bases de longitudes \(a,c\), respectivamente. Los puntos buscados son precisamente las intersecciones del eje de simetría con la circunferencia que tiene por diámetro cualquiera de los lados no paralelos.
Su número es \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
Cuando existen, se encuentran estrictamente entre \(M\) y \(N\). Escribiendo \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] sus distancias a las bases de longitudes \(a\) y \(c\), respectivamente, son \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{y}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] Cuando \(h^2=ac\), estas expresiones describen el mismo punto, el punto medio de \(MN\).
Solución
El trapecio dado no es degenerado, por lo que \(a,c,h>0\). Denotemos sus vértices consecutivos por \(A,B,C,D\), con \(AB=a\) y \(CD=c\).
En primer lugar, el teorema de Tales proporciona una construcción geométrica: trazar la circunferencia de diámetro \(AD\) y hallar sus intersecciones con el eje de simetría. Todo punto de intersección \(P\) satisface \(\angle APD=90^\circ\). La reflexión respecto del eje de simetría deja fijo \(P\) y lleva \(A,D\) a \(B,C\), respectivamente, por lo que también da \(\angle BPC=90^\circ\). Recíprocamente, todo punto buscado pertenece a esa circunferencia. Por tanto, esta construcción encuentra exactamente todos los puntos buscados.
Para calcular sus posiciones y determinar cuándo existen, elijamos las coordenadas \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] El eje de simetría es el eje \(y\). Escribamos un punto arbitrario de todo el eje como \(P=(0,t)\), donde \(t\in\mathbb R\).
Como \(a,c>0\), \(P\) no puede coincidir con ningún vértice, por lo que todos los ángulos considerados están definidos. Además, \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] En consecuencia, ambos ángulos son rectos si y solo si \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] Completando el cuadrado, obtenemos \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
Esto demuestra la clasificación completa:
- Si \(h^2<ac\), el segundo miembro es negativo, por lo que no existe ningún punto que cumpla las condiciones.
- Si \(h^2=ac\), la única solución es \(t=h/2\), el punto medio de \(MN\). La circunferencia de la construcción es tangente al eje de simetría en ese punto.
- Si \(h^2>ac\), hay exactamente dos soluciones, \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] situadas simétricamente respecto del punto medio de \(MN\).
Siempre que existen soluciones, la positividad de \(ac\) implica \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] Por tanto, \(0<t_\pm<h\): todos los puntos buscados están estrictamente en el interior del trapecio. Los pies de sus perpendiculares a las bases son \(M\) y \(N\), por lo que sus distancias a esas bases son \(t_\pm\) y \(h-t_\pm\), lo que da las fórmulas indicadas.
No se ha supuesto ningún orden entre \(a,c\). Si se admite el caso rectangular \(a=c\), el mismo resultado da dos puntos cuando \(h>a\), uno cuando \(h=a\) (el centro del cuadrado) y ninguno cuando \(h<a\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1960 · 问题 7
给定一个两底长分别为 \(a\) 和 \(c\)、高为 \(h\) 的等腰梯形。
(a) 在该梯形的对称轴上,求所有使梯形的两腰在 \(P\) 点所张的角均为直角的点 \(P\)。
(b) 计算 \(P\) 到两底各自的距离。
(c) 确定这样的点 \(P\) 存在的条件。(讨论可能出现的各种情形。)
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
设 \(M,N\) 分别为长度为 \(a,c\) 的两底的中点。所求的点恰为对称轴与以任意一腰为直径的圆的交点。
这些点的个数为 \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
当这些点存在时,它们严格位于 \(M\) 与 \(N\) 之间。记 \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] 则它们到长度为 \(a\) 和 \(c\) 的两底的距离分别为 \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{和}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] 当 \(h^2=ac\) 时,这两组距离对应于同一个点,即 \(MN\) 的中点。
解答
给定的梯形非退化,因此 \(a,c,h>0\)。将其顶点依次记为 \(A,B,C,D\),其中 \(AB=a\),\(CD=c\)。
首先,由泰勒斯定理可得一个几何作法:作以 \(AD\) 为直径的圆,求其与对称轴的交点。每个交点 \(P\) 都满足 \(\angle APD=90^\circ\)。关于对称轴的反射保持 \(P\) 不动,并将 \(A,D\) 分别映为 \(B,C\),因此也有 \(\angle BPC=90^\circ\)。反之,每个满足要求的点都在该圆上。所以,这一作法恰好找出了所有满足要求的点。
为计算它们的位置并确定其存在条件,选取坐标使 \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] 对称轴为 \(y\) 轴。将整条对称轴上的任意一点记为 \(P=(0,t)\),其中 \(t\in\mathbb R\)。
由于 \(a,c>0\),\(P\) 不可能与任何顶点重合,因此所讨论的角都有定义。此外, \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] 因此,这两个角均为直角的充要条件为 \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] 配方得 \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
由此得到完整的分类:
- 若 \(h^2<ac\),则右端为负,因此不存在满足要求的点。
- 若 \(h^2=ac\),则唯一的解为 \(t=h/2\),对应于 \(MN\) 的中点。作图中的圆在该点与对称轴相切。
- 若 \(h^2>ac\),则恰有两个解, \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] 对应的两点关于 \(MN\) 的中点对称。
只要解存在,由 \(ac\) 为正可得 \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] 因此 \(0<t_\pm<h\):所有满足要求的点都严格位于梯形内部。它们在两底上的垂足分别为 \(M\) 和 \(N\),故它们到两底的距离分别为 \(t_\pm\) 和 \(h-t_\pm\),从而得到所述公式。
以上没有假设 \(a,c\) 的大小关系。若允许矩形情形 \(a=c\),则同一结果表明:当 \(h>a\) 时有两个点,当 \(h=a\) 时有一个点(正方形的中心),当 \(h<a\) 时没有这样的点。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1960 · Задача 7
Дана равнобедренная трапеция с основаниями \(a\) и \(c\) и высотой \(h\).
(a) На оси симметрии этой трапеции найдите все точки \(P\), такие что обе боковые стороны трапеции видны из \(P\) под прямыми углами.
(b) Вычислите расстояние от \(P\) до каждого из оснований.
(c) Определите, при каких условиях такие точки \(P\) существуют. (Рассмотрите различные возможные случаи.)
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Пусть \(M,N\) — середины оснований длины \(a,c\) соответственно. Искомые точки — в точности точки пересечения оси симметрии с окружностью, диаметром которой служит любая из боковых сторон.
Их количество равно \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
Если такие точки существуют, они лежат строго между \(M\) и \(N\). Обозначив \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] получаем, что их расстояния до оснований длины \(a\) и \(c\) соответственно равны \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{и}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] При \(h^2=ac\) эти формулы описывают одну и ту же точку — середину \(MN\).
Решение
Данная трапеция невырожденная, поэтому \(a,c,h>0\). Обозначим её последовательные вершины через \(A,B,C,D\), причём \(AB=a\) и \(CD=c\).
Прежде всего, из теоремы Фалеса об угле, опирающемся на диаметр, следует геометрическое построение: проведём окружность с диаметром \(AD\) и найдём её пересечения с осью симметрии. Для каждой точки пересечения \(P\) выполняется \(\angle APD=90^\circ\). Отражение относительно оси симметрии оставляет \(P\) на месте и переводит \(A,D\) в \(B,C\) соответственно, поэтому также получаем \(\angle BPC=90^\circ\). Обратно, каждая искомая точка принадлежит этой окружности. Таким образом, это построение даёт в точности все искомые точки.
Чтобы вычислить их положения и определить, когда они существуют, выберем координаты \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] Ось симметрии — ось \(y\). Запишем произвольную точку на всей этой оси в виде \(P=(0,t)\), где \(t\in\mathbb R\).
Поскольку \(a,c>0\), точка \(P\) не может совпадать ни с одной вершиной, поэтому все рассматриваемые углы определены. Кроме того, \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] Следовательно, оба угла прямые тогда и только тогда, когда \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] Выделяя полный квадрат, получаем \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
Это даёт полную классификацию:
- Если \(h^2<ac\), правая часть отрицательна, поэтому искомых точек нет.
- Если \(h^2=ac\), единственное решение — \(t=h/2\), то есть середина \(MN\). Окружность из построения касается оси симметрии в этой точке.
- Если \(h^2>ac\), существуют ровно два решения, \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] расположенные симметрично относительно середины \(MN\).
Если решения существуют, то из положительности \(ac\) следует \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] Поэтому \(0<t_\pm<h\): все искомые точки лежат строго внутри трапеции. Основания перпендикуляров, опущенных из них на основания трапеции, — это \(M\) и \(N\), поэтому расстояния до этих оснований равны \(t_\pm\) и \(h-t_\pm\), что даёт указанные формулы.
Никаких предположений о том, какое из чисел \(a,c\) больше, не делалось. Если допускается случай прямоугольника \(a=c\), тот же результат даёт две точки при \(h>a\), одну при \(h=a\) (центр квадрата) и ни одной при \(h<a\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1960 · المسألة 7
أُعطي شبه منحرف متساوي الساقين قاعدتاه \(a\) و\(c\) وارتفاعه \(h\).
(a) أوجد جميع النقاط \(P\) على محور تناظر شبه المنحرف هذا بحيث تُرى كلتا ساقيه من \(P\) بزاويتين قائمتين.
(b) احسب بُعد \(P\) عن كل من القاعدتين.
(c) حدد الشروط التي توجد بموجبها هذه النقاط \(P\) فعلًا. (ناقش الحالات المختلفة التي قد تنشأ.)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
لتكن \(M,N\) منتصفي القاعدتين اللتين طولاهما \(a,c\)، على الترتيب. النقاط المطلوبة هي بالضبط تقاطعات محور التناظر مع الدائرة التي قطرها إحدى الساقين.
وعددها هو \[ \begin{cases} 2,&h^2>ac,\\ 1,&h^2=ac,\\ 0,&h^2<ac. \end{cases} \]
عندما توجد هذه النقاط، فإنها تقع بين \(M\) و\(N\) تمامًا. وبوضع \[ \Delta=\sqrt{h^2-ac}, \] تكون مسافاتها عن القاعدتين اللتين طولاهما \(a\) و\(c\)، على الترتيب، \[ \boxed{\left(\frac{h+\Delta}{2},\frac{h-\Delta}{2}\right) \quad\text{و}\quad \left(\frac{h-\Delta}{2},\frac{h+\Delta}{2}\right).} \] عندما \(h^2=ac\)، يصف هذان الزوجان النقطة نفسها، وهي منتصف \(MN\).
الحل
شبه المنحرف المعطى غير منعدم المساحة، لذا \(a,c,h>0\). لنسمِّ رؤوسه بالتتابع \(A,B,C,D\)، بحيث \(AB=a\) و\(CD=c\).
أولًا، ينتج إنشاء هندسي من مبرهنة طاليس: ارسم الدائرة التي قطرها \(AD\)، وأوجد تقاطعاتها مع محور التناظر. كل نقطة تقاطع \(P\) تحقق \(\angle APD=90^\circ\). الانعكاس حول محور التناظر يثبت \(P\) ويحوّل \(A,D\) إلى \(B,C\)، على الترتيب، لذا يعطي أيضًا \(\angle BPC=90^\circ\). وعكسًا، تنتمي كل نقطة مطلوبة إلى تلك الدائرة. إذن هذا الإنشاء يعطي جميع النقاط المطلوبة بالضبط.
لحساب مواضعها وتحديد متى توجد، نختار الإحداثيات \[ A=\left(-\frac a2,0\right),\qquad B=\left(\frac a2,0\right),\qquad C=\left(\frac c2,h\right),\qquad D=\left(-\frac c2,h\right). \] محور التناظر هو محور \(y\). نكتب نقطة اختيارية على المحور بأكمله بالشكل \(P=(0,t)\)، حيث \(t\in\mathbb R\).
بما أن \(a,c>0\)، فلا يمكن أن تنطبق \(P\) على أي رأس، ومن ثم فإن جميع الزوايا قيد النظر معرّفة. علاوة على ذلك، \[ \overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PD} = \overrightarrow{PB}\cdot\overrightarrow{PC} = \frac{ac}{4}-t(h-t). \] وبالتالي، تكون كلتا الزاويتين قائمتين إذا وفقط إذا كان \[ t(h-t)=\frac{ac}{4}. \] وبإكمال المربع نحصل على \[ \left(t-\frac h2\right)^2=\frac{h^2-ac}{4}. \]
وهذا يثبت التصنيف الكامل:
- إذا كان \(h^2<ac\)، فإن الطرف الأيمن سالب، لذا لا توجد أي نقطة مطلوبة.
- إذا كان \(h^2=ac\)، فإن الحل الوحيد هو \(t=h/2\)، أي منتصف \(MN\). وتكون الدائرة في الإنشاء مماسة لمحور التناظر عند تلك النقطة.
- إذا كان \(h^2>ac\)، فهناك حلان بالضبط، \[ t_\pm=\frac{h\pm\sqrt{h^2-ac}}2, \] يقعان متناظرين بالنسبة إلى منتصف \(MN\).
كلما وُجدت حلول، فإن إيجابية \(ac\) تقتضي \[ 0\le\sqrt{h^2-ac}<h. \] ومن ثم \(0<t_\pm<h\): تقع جميع النقاط المطلوبة داخل شبه المنحرف تمامًا. وقدما العمودين منها على القاعدتين هما \(M\) و\(N\)، لذا فإن مسافتيها عن هاتين القاعدتين هما \(t_\pm\) و\(h-t_\pm\)، مما يعطي الصيغ المذكورة.
لم نفترض أي ترتيب بين \(a,c\). وإذا أُجيزت حالة المستطيل \(a=c\)، فإن النتيجة نفسها تعطي نقطتين عندما \(h>a\)، ونقطة واحدة عندما \(h=a\) (مركز المربع)، ولا تعطي أي نقطة عندما \(h<a\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).