IMO 1961 · Problem 4
Consider triangle \(P_1P_2P_3\) and a point \(P\) within the triangle. Lines \(P_1P, P_2P, P_3P\) intersect the opposite sides in points \(Q_1, Q_2, Q_3\) respectively. Prove that, of the numbers \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] at least one is \(\leq 2\) and at least one is \(\geq 2\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \([ABC]\) denote the area of triangle \(ABC\), and put \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] Since \(P\) is interior to the triangle, these three smaller triangles have positive areas and partition the original triangle. Hence \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
For each \(i\), the points \(P_i,P,Q_i\) lie in that order on a line. The triangle of area \(S_i\) and the original triangle share the side opposite \(P_i\) as a base. Their perpendicular heights to this base are proportional to \(PQ_i\) and \(P_iQ_i\), respectively: both heights equal the corresponding segment length multiplied by the sine of the angle that \(P_iQ_i\) makes with the base. Thus \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] Using \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\), we obtain \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
Because the three positive numbers \(S_1,S_2,S_3\) sum to \(S\), at least one is at least \(S/3\), and at least one is at most \(S/3\). For the first of these, the displayed identity gives \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] for the second, it gives \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] These inequalities include the equality cases and prove the assertion. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1961 · Aufgabe 4
Gegeben seien ein Dreieck \(P_1P_2P_3\) und ein Punkt \(P\) im Inneren des Dreiecks. Die Geraden \(P_1P, P_2P, P_3P\) schneiden die jeweils gegenüberliegenden Seiten in den Punkten \(Q_1, Q_2, Q_3\). Beweise, dass von den Zahlen \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] mindestens eine \(\leq 2\) und mindestens eine \(\geq 2\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Mit \([ABC]\) bezeichnen wir den Flächeninhalt des Dreiecks \(ABC\), und wir setzen \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] Da \(P\) im Inneren des Dreiecks liegt, haben diese drei kleineren Dreiecke positive Flächeninhalte und zerlegen das ursprüngliche Dreieck. Daher gilt \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
Für jedes \(i\) liegen die Punkte \(P_i,P,Q_i\) in dieser Reihenfolge auf einer Geraden. Das Dreieck mit dem Flächeninhalt \(S_i\) und das ursprüngliche Dreieck haben die \(P_i\) gegenüberliegende Seite als gemeinsame Grundseite. Ihre senkrechten Höhen auf diese Grundseite sind proportional zu \(PQ_i\) beziehungsweise \(P_iQ_i\): Beide Höhen sind gleich der jeweiligen Streckenlänge multipliziert mit dem Sinus des Winkels, den \(P_iQ_i\) mit der Grundseite bildet. Somit gilt \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] Mit \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\) erhalten wir \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
Da die drei positiven Zahlen \(S_1,S_2,S_3\) die Summe \(S\) haben, ist mindestens eine davon mindestens \(S/3\) und mindestens eine höchstens \(S/3\). Für die erste ergibt die obige Identität \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] für die zweite ergibt sie \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] Diese Ungleichungen schließen die Gleichheitsfälle ein und beweisen die Behauptung. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1961 · Soru 4
\(P_1P_2P_3\) üçgenini ve bu üçgenin içinde bir \(P\) noktasını ele alalım. \(P_1P, P_2P, P_3P\) doğruları karşı kenarları sırasıyla \(Q_1, Q_2, Q_3\) noktalarında kesmektedir. \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] sayılarından en az birinin \(\leq 2\) ve en az birinin \(\geq 2\) olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\([ABC]\), \(ABC\) üçgeninin alanını göstersin ve \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2] \] olsun. \(P\) üçgenin içinde olduğundan bu üç küçük üçgenin alanları pozitiftir ve bu üçgenler başlangıçtaki üçgeni parçalara ayırır. Dolayısıyla \[ S_1+S_2+S_3=S \] olur.
Her \(i\) için \(P_i,P,Q_i\) noktaları bir doğru üzerinde bu sırayla bulunur. Alanı \(S_i\) olan üçgen ile başlangıçtaki üçgen, \(P_i\)'nin karşısındaki kenarı ortak taban olarak alır. Bu tabana ait yükseklikleri sırasıyla \(PQ_i\) ve \(P_iQ_i\) ile orantılıdır: her iki yükseklik de ilgili doğru parçasının uzunluğunun, \(P_iQ_i\)'nin tabanla yaptığı açının sinüsüyle çarpımına eşittir. Böylece \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i} \] olur. \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\) eşitliğini kullanarak \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1 \] elde ederiz.
Üç pozitif sayı \(S_1,S_2,S_3\)'ün toplamı \(S\) olduğundan bunlardan en az biri \(S/3\)'ten küçük değildir ve en az biri \(S/3\)'ten büyük değildir. Bunlardan ilki için yukarıdaki özdeşlik \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] ikincisi için ise \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2 \] verir. Bu eşitsizlikler eşitlik durumlarını da kapsar ve iddiayı kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1961 · Problema 4
Consideremos el triángulo \(P_1P_2P_3\) y un punto \(P\) en su interior. Las rectas \(P_1P, P_2P, P_3P\) cortan los lados opuestos en los puntos \(Q_1, Q_2, Q_3\), respectivamente. Demostrar que, de los números \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] al menos uno es \(\leq 2\) y al menos uno es \(\geq 2\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos por \([ABC]\) el área del triángulo \(ABC\), y sean \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] Como \(P\) está en el interior del triángulo, estos tres triángulos menores tienen áreas positivas y forman una partición del triángulo original. Por tanto, \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
Para cada \(i\), los puntos \(P_i,P,Q_i\) están alineados en ese orden. El triángulo de área \(S_i\) y el triángulo original comparten como base el lado opuesto a \(P_i\). Sus alturas perpendiculares a esta base son proporcionales a \(PQ_i\) y \(P_iQ_i\), respectivamente: ambas alturas son iguales a la longitud del segmento correspondiente multiplicada por el seno del ángulo que forma \(P_iQ_i\) con la base. Así, \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] Usando \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\), obtenemos \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
Como los tres números positivos \(S_1,S_2,S_3\) suman \(S\), al menos uno es mayor o igual que \(S/3\), y al menos uno es menor o igual que \(S/3\). Para el primero de ellos, la identidad anterior da \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] para el segundo, da \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] Estas desigualdades incluyen los casos de igualdad y demuestran la afirmación. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1961 · 问题 4
设有三角形 \(P_1P_2P_3\) 及其内部一点 \(P\)。直线 \(P_1P, P_2P, P_3P\) 分别交各自的对边于点 \(Q_1, Q_2, Q_3\)。证明:在下列三个数中, \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] 至少有一个 \(\leq 2\),且至少有一个 \(\geq 2\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \([ABC]\) 表示三角形 \(ABC\) 的面积,并令 \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] 由于 \(P\) 位于三角形内部,这三个小三角形的面积均为正,且恰好将原三角形分割。因此 \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
对于每个 \(i\),点 \(P_i,P,Q_i\) 依次位于同一直线上。面积为 \(S_i\) 的三角形与原三角形以 \(P_i\) 的对边为公共底边。它们在这条底边上的高分别与 \(PQ_i\) 和 \(P_iQ_i\) 成正比:两条高都等于相应线段的长度乘以 \(P_iQ_i\) 与底边所成角的正弦。因此 \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] 利用 \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\),得 \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
由于三个正数 \(S_1,S_2,S_3\) 的和为 \(S\),其中至少有一个不小于 \(S/3\),且至少有一个不大于 \(S/3\)。对于前者,由上述等式得 \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] 对于后者,得 \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] 这些不等式包含了等号成立的情形,从而证明了所述结论。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1961 · Задача 4
Рассмотрим треугольник \(P_1P_2P_3\) и точку \(P\) внутри него. Прямые \(P_1P, P_2P, P_3P\) пересекают противоположные стороны в точках \(Q_1, Q_2, Q_3\) соответственно. Докажите, что среди чисел \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] хотя бы одно \(\leq 2\) и хотя бы одно \(\geq 2\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \([ABC]\) площадь треугольника \(ABC\) и положим \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] Поскольку \(P\) лежит внутри треугольника, эти три меньших треугольника имеют положительные площади и составляют разбиение исходного треугольника. Поэтому \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
Для каждого \(i\) точки \(P_i,P,Q_i\) лежат на одной прямой в указанном порядке. Треугольник площади \(S_i\) и исходный треугольник имеют общее основание — сторону, противоположную \(P_i\). Их высоты, проведённые к этому основанию, пропорциональны \(PQ_i\) и \(P_iQ_i\) соответственно: каждая из высот равна длине соответствующего отрезка, умноженной на синус угла между \(P_iQ_i\) и основанием. Таким образом, \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] Используя \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\), получаем \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
Поскольку сумма трёх положительных чисел \(S_1,S_2,S_3\) равна \(S\), хотя бы одно из них не меньше \(S/3\), а хотя бы одно не больше \(S/3\). Для первого из них полученное тождество даёт \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] для второго оно даёт \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] Эти неравенства включают случаи равенства и доказывают утверждение. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1961 · المسألة 4
ليكن \(P_1P_2P_3\) مثلثًا، ولتكن \(P\) نقطة داخله. تقطع المستقيمات \(P_1P, P_2P, P_3P\) الأضلاع المقابلة في النقاط \(Q_1, Q_2, Q_3\) على الترتيب. أثبت أن من بين الأعداد \[ \frac{P_1P}{PQ_1},\ \frac{P_2P}{PQ_2},\ \frac{P_3P}{PQ_3} \] عددًا واحدًا على الأقل \(\leq 2\)، وعددًا واحدًا على الأقل \(\geq 2\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنرمز بـ\([ABC]\) إلى مساحة المثلث \(ABC\)، ولنضع \[ S=[P_1P_2P_3],\qquad S_1=[PP_2P_3],\quad S_2=[PP_3P_1],\quad S_3=[PP_1P_2]. \] بما أن \(P\) تقع داخل المثلث، فإن هذه المثلثات الثلاثة الأصغر ذات مساحات موجبة وتقسم المثلث الأصلي. لذا \[ S_1+S_2+S_3=S. \]
لكل \(i\)، تقع النقاط \(P_i,P,Q_i\) بهذا الترتيب على مستقيم واحد. يشترك المثلث ذو المساحة \(S_i\) والمثلث الأصلي في الضلع المقابل لـ\(P_i\) بوصفه قاعدة. ويتناسب ارتفاعاهما العموديان على هذه القاعدة مع \(PQ_i\) و\(P_iQ_i\)، على الترتيب: فكل ارتفاع يساوي طول القطعة المقابلة له مضروبًا في جيب الزاوية التي يصنعها \(P_iQ_i\) مع القاعدة. ومن ثم \[ \frac{S_i}{S}=\frac{PQ_i}{P_iQ_i}. \] باستخدام \(P_iQ_i=P_iP+PQ_i\)، نحصل على \[ \frac{P_iP}{PQ_i} =\frac{P_iQ_i}{PQ_i}-1 =\frac{S}{S_i}-1. \]
بما أن مجموع الأعداد الموجبة الثلاثة \(S_1,S_2,S_3\) هو \(S\)، فإن واحدًا منها على الأقل لا يقل عن \(S/3\)، وواحدًا منها على الأقل لا يزيد على \(S/3\). في الحالة الأولى، تعطينا المتطابقة المعروضة \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\leq 3-1=2; \] وفي الحالة الثانية، تعطينا \[ \frac{P_iP}{PQ_i}\geq 3-1=2. \] تشمل هاتان المتباينتان حالتي المساواة وتثبتان المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).